Под ледяной поверхностью многих спутников внешней части Солнечной системы могут скрываться огромные объёмы жидкой воды. Такие миры считаются одними из наиболее интересных объектов для изучения, поскольку подповерхностные океаны способны существовать в условиях, совершенно непохожих на земные. Однако новое исследование показывает, что катастрофические столкновения в прошлом могли не создавать такие океаны, как можно было бы предположить, а наоборот — уничтожать их или мешать их появлению.
Учёные смоделировали последствия разрушительных столкновений между небольшими ледяными спутниками. Результаты показали, что судьба подповерхностного океана во многом зависит от размеров небесного тела. Крупные спутники могут сохранить жидкую воду даже после катастрофического удара и последующего повторного формирования из обломков. У небольших объектов ситуация значительно сложнее: они быстро теряют полученное при столкновении тепло, а существовавший ранее океан может исчезнуть.
Эти результаты важны не только для понимания отдельных спутников Сатурна или Урана. Они помогают разобраться, как формировались современные системы ледяных миров и могли ли некоторые из них пережить в прошлом события, практически полностью уничтожившие их первоначальную структуру.
Ледяные спутники и скрытые океаны
Внешняя часть Солнечной системы населена множеством спутников, поверхность которых покрыта льдом. На первый взгляд такие миры кажутся полностью замёрзшими и геологически малоактивными. Однако под их внешней ледяной оболочкой в некоторых случаях может существовать жидкая вода.
Подповерхностные океаны предполагаются или подтверждаются различными методами у нескольких спутников планет-гигантов. Одним из наиболее известных примеров является Энцелад — небольшой спутник Сатурна, под ледяной корой которого находится глобальный океан. Признаки внутреннего океана обнаружены и у других ледяных миров Солнечной системы.
Для существования жидкой воды недостаточно просто иметь большое количество льда. Необходим источник энергии, который способен поддерживать температуру внутренних слоёв выше точки замерзания. Таким источником может быть внутреннее тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде элементов, а также приливный нагрев, возникающий из-за гравитационного взаимодействия со значительно более массивной планетой и другими спутниками.
Однако история многих небольших спутников могла быть гораздо более сложной, чем предполагает их современный внешний вид.
Некоторые современные спутники могли появиться после разрушения более древних миров
Системы спутников Сатурна и Урана содержат множество сравнительно небольших ледяных объектов. Их свойства и орбитальная структура давно вызывают вопросы о происхождении этих тел.
Одна из рассматриваемых гипотез заключается в том, что часть небольших спутников могла не сохраниться в первоначальном виде с ранних этапов существования Солнечной системы. Вместо этого древние спутники могли быть разрушены крупными столкновениями, а затем часть их вещества вновь объединилась под действием гравитации.
В таком случае современный спутник может оказаться своеобразным «вторым поколением» небесных тел — объектом, сформировавшимся из обломков более древнего мира.
Это сразу ставит важный вопрос: если первоначальный спутник имел подповерхностный океан, что произошло с ним после катастрофического столкновения? И может ли океан возникнуть заново благодаря огромному количеству энергии, выделившейся при ударе?
Именно на эти вопросы было направлено новое исследование.
Что считается разрушительным столкновением
Столкновения в Солнечной системе происходили постоянно, особенно в её ранней истории. Однако не каждое столкновение одинаково влияет на небесное тело.
Небольшой удар может оставить кратер, выбросить часть вещества и изменить поверхность спутника, практически не затронув его внутреннее строение. Совсем иначе действует разрушительное столкновение.
В таком событии удар настолько мощный, что исходный объект фактически распадается на множество крупных и мелких фрагментов. В исследовании разрушительным считалось столкновение, после которого крупнейший сохранившийся фрагмент имеет менее половины размера первоначального объекта.
Иными словами, речь идёт не о повреждении поверхности, а о катастрофе, при которой спутник в значительной степени перестаёт существовать как единое тело.
После разрушения спутник может собраться заново
Несмотря на масштаб разрушения, вещество не обязательно навсегда рассеивается в космическом пространстве.
Часть обломков может сохранить достаточно сильное гравитационное взаимодействие и постепенно вновь объединиться. В результате через некоторое время может сформироваться новое небесное тело.
Однако повторно собравшийся спутник уже не обязан иметь такое же внутреннее строение, как его предшественник.
Столкновение меняет распределение энергии, смешивает лёд и каменистое вещество, может временно расплавлять часть материала и полностью перестраивать внутреннюю структуру объекта. Поэтому вопрос о том, способен ли такой мир сохранить или заново приобрести океан, нельзя решить, рассматривая только количество энергии, выделившейся при ударе.
Необходимо учитывать дальнейшую эволюцию спутника после столкновения.
Больше энергии не обязательно означает больше воды
На первый взгляд может показаться, что гигантское столкновение должно способствовать образованию океана.
При ударе выделяется огромное количество энергии. Эта энергия превращается в тепло, часть ледяного вещества может расплавиться, и внутри спутника теоретически должна появиться жидкая вода.
Однако моделирование показало, что в действительности этот процесс работает значительно сложнее.
Главная проблема заключается в том, что тепло, полученное при разрушительном столкновении, не сохраняется внутри небольшого объекта достаточно долго.
Небольшие тела слишком быстро остывают
Размер небесного тела имеет огромное значение для его способности удерживать внутреннее тепло.
Крупный объект обладает большим объёмом по отношению к площади поверхности. Поэтому тепло из его внутренних областей относительно медленно достигает поверхности и уходит в окружающее пространство.
У небольших объектов ситуация обратная. Они значительно быстрее теряют накопленную тепловую энергию.
После катастрофического разрушения спутник может временно нагреться настолько, что часть льда расплавится. Но если объект небольшой, это тепло быстро рассеивается. Вода не получает возможности сохраняться в жидком состоянии на протяжении длительного времени.
В результате удар может создать кратковременное плавление льда, но не привести к формированию устойчивого подповерхностного океана.
Столкновения могут уничтожать существующие океаны
Моделирование показало ещё более важный результат: для небольших спутников разрушительное столкновение может стать причиной потери уже существующего океана.
Если до катастрофы под ледяной поверхностью находился слой жидкой воды, разрушение и последующее повторное объединение вещества способны полностью изменить тепловую и внутреннюю структуру объекта.
После повторного формирования небольшой спутник быстро теряет тепло. В результате жидкая вода может постепенно замёрзнуть.
Таким образом, катастрофическое столкновение не обязательно оставляет после себя более горячий и активный мир. Для небольшого ледяного спутника последствия могут оказаться прямо противоположными.
Размер около тысячи километров оказался важной границей
Результаты исследования показывают заметную зависимость от размеров объекта.
Более крупные спутники с радиусом около 1000 километров и более способны значительно лучше сохранять внутреннее тепло. Если такой мир имел подповерхностный океан до разрушительного столкновения, вероятность его сохранения после повторного формирования оказывается выше.
Небольшие спутники находятся в гораздо менее благоприятном положении. Они быстрее охлаждаются и поэтому с большей вероятностью теряют существующий океан.
Это не означает, что любой спутник меньшего размера обязательно не может иметь жидкую воду. На его внутреннее состояние влияет множество факторов, включая состав, возраст, орбиту и приливное взаимодействие с планетой.
Однако результаты моделирования показывают, что разрушительное столкновение само по себе не является эффективным механизмом создания новых долгоживущих океанов на небольших ледяных мирах.
Что происходит внутри спутника после катастрофы
Хотя столкновение не обязательно создаёт океан, оно может серьёзно изменить внутреннее устройство спутника.
До удара лёд и каменистое вещество могут быть перемешаны в различных пропорциях. После разрушения часть ледяного материала временно плавится.
Когда обломки начинают вновь объединяться, тяжёлые компоненты ведут себя иначе, чем более лёгкие.
Камень опускается, лёд образует внешнюю оболочку
Каменистое вещество имеет большую плотность, чем лёд и вода. Поэтому в процессе повторного формирования объекта более тяжёлые материалы стремятся перемещаться к центральным областям.
В результате спутник может пройти через процесс внутреннего разделения вещества.
После временного плавления и последующего охлаждения формируется более плотное ядро, а лёд концентрируется ближе к внешним слоям.
Моделирование показывает, что повторно собравшийся после разрушительного столкновения спутник может получить более массивное ядро и более толстую ледяную оболочку.
Это важное последствие катастрофических столкновений. Даже если современный спутник выглядит относительно однородным снаружи, его внутренняя структура может хранить следы древнего разрушения и последующего повторного формирования.
Более толстый лёд не означает сохранение океана
Толстая ледяная оболочка сама по себе не является доказательством наличия жидкой воды под ней.
Чтобы океан сохранялся, необходим достаточный внутренний источник тепла. Если спутник быстро остывает, вода между ледяной оболочкой и каменистым ядром постепенно замерзает.
Поэтому после разрушительного столкновения может сформироваться объект с мощным ледяным внешним слоем, но без устойчивого океана.
Именно это делает историю небольших ледяных спутников особенно интересной: их современное внутреннее состояние зависит не только от того, из какого материала они состоят, но и от того, какие события пережили в прошлом.
Почему столкновения были особенно важны в ранней Солнечной системе
Современная Солнечная система выглядит сравнительно стабильной, однако в первые сотни миллионов лет после её формирования ситуация была значительно более хаотичной.
Вокруг молодого Солнца находилось огромное количество планетезималей, астероидов и других тел. Орбиты постоянно менялись под действием гравитации, а столкновения происходили значительно чаще.
Именно в этот период формировались планеты и их спутники, менялась структура орбит и происходило перераспределение вещества.
Поэтому разрушительные столкновения должны были играть важную роль в эволюции небольших тел.
Катастрофы могли происходить и значительно позже
Однако крупные столкновения не ограничиваются только ранней историей Солнечной системы.
Для системы спутников Сатурна существуют сценарии, согласно которым некоторые разрушительные события могли происходить сравнительно недавно по астрономическим меркам — возможно, в пределах последних 100 миллионов лет.
Если такие события действительно происходили, некоторые современные спутники могли сформироваться из обломков более древних объектов.
Новое исследование показывает, что эта возможность необходимо учитывать при оценке существования подповерхностных океанов.
Если небольшой спутник был полностью разрушен и затем собрался заново относительно недавно, его современное внутреннее состояние может существенно отличаться от состояния первоначального объекта.
Что результаты означают для Энцелада и Дионы
Энцелад считается одним из наиболее важных океанических миров Солнечной системы.
Под его ледяной поверхностью находится глобальный океан, а через трещины в районе южного полюса в космос выбрасываются струи воды, льда и других веществ. Благодаря этим выбросам учёные могут изучать материал из внутренних областей спутника, не проникая непосредственно через ледяную оболочку.
Диона также относится к спутникам, для которых рассматривается существование внутреннего океана.
Новое моделирование показывает, что сохранение таких океанов трудно согласовать со сценарием, при котором небольшие спутники были полностью разрушены и повторно сформировались сравнительно недавно.
Океан становится свидетельством истории спутника
Если Энцелад или Диона действительно пережили полное разрушение в недавнем геологическом прошлом, небольшие размеры этих миров должны были бы способствовать быстрой потере тепла.
В таких условиях повторное формирование устойчивого океана после столкновения оказывается сложной задачей.
Поэтому наличие современных подповерхностных океанов может указывать на то, что эти спутники не проходили через полный цикл недавнего катастрофического разрушения и повторного формирования.
Это не исключает столкновений в их истории вообще. Спутники могли переживать крупные удары и серьёзные повреждения.
Однако результаты исследования ставят под сомнение сценарии, в которых такие океанические миры были полностью уничтожены, а затем заново собраны из обломков в относительно недавнее время.
История спутника может быть важнее одного сильного удара
Главный вывод исследования заключается в том, что нельзя оценивать последствия столкновения только по количеству выделившейся энергии.
Катастрофический удар действительно способен на короткое время нагреть вещество и расплавить часть льда. Но дальнейшая судьба этого тепла определяется размерами и внутренними свойствами объекта.
Для небольшого спутника решающим становится быстрое охлаждение.
Если тепло исчезает раньше, чем формируется устойчивый механизм его постоянного восполнения, временно расплавленная вода снова замерзает.
Для океана нужен долговременный источник энергии
Подповерхностный океан может существовать миллионы или миллиарды лет только в том случае, если внутреннее тепло сохраняется или регулярно восполняется.
У некоторых спутников важнейшим источником такой энергии является приливный нагрев.
Гравитация массивной планеты постоянно деформирует спутник. Если его орбита не является идеально круговой, сила притяжения меняется в течение движения, вызывая периодические деформации внутренних слоёв.
Эти деформации могут превращать часть механической энергии в тепло.
Именно такой постоянный механизм принципиально отличается от разового нагрева при столкновении.
Удар может быть чрезвычайно мощным, но его энергия рассеивается. Приливный нагрев, напротив, способен действовать продолжительное время.
Повторное формирование спутников оказалось менее благоприятным для океанов, чем ожидалось
До проведения подобных расчётов можно было предположить, что повторно собравшийся после катастрофы ледяной мир должен получить большое количество тепловой энергии.
Однако результаты моделирования показывают, что разрушительные столкновения не являются универсальным способом создавать океанические миры.
В среднем они влияют прежде всего на толщину существующего океана и продолжительность его существования, а не запускают появление нового стабильного океана.
Для небольших объектов последствия могут быть особенно неблагоприятными.
Если спутник был холодным и не имел океана до столкновения, мощный удар обычно не создаёт устойчивый океан на длительный срок. Если же океан существовал, разрушение может привести к его утрате.
Какие вопросы остаются открытыми
История столкновений небольших спутников всё ещё изучена далеко не полностью.
Современные системы Сатурна и Урана обладают сложной структурой, а параметры древних столкновений невозможно восстановить с полной точностью. Не всегда известно, какие тела участвовали в ударах, с какой скоростью они двигались и под какими углами происходили столкновения.
Поэтому дальнейшие исследования будут направлены на изучение более широкого набора возможных сценариев.
Возможны ли особые условия, при которых небольшой спутник всё-таки сохранит океан
Авторы исследования не исключают, что при определённых условиях небольшие повторно сформировавшиеся спутники могут иметь больше шансов на сохранение жидкой воды.
На результат могут влиять состав вещества, количество каменистого материала, точная энергия удара и последующая орбитальная эволюция.
Особенно важным может оказаться приливное взаимодействие с планетой.
Если после повторного формирования спутник оказывается на орбите, где приливный нагрев достаточно силён, дополнительный источник энергии теоретически способен изменить дальнейшую тепловую эволюцию.
Однако для определения таких сценариев необходимы дополнительные исследования.
Почему это исследование важно для поиска океанических миров
Поиск подповерхностных океанов сегодня является одним из главных направлений изучения планет и спутников Солнечной системы.
Наличие жидкой воды делает ледяные миры особенно важными объектами для будущих космических миссий. Однако чтобы правильно оценить современное состояние такого спутника, необходимо понимать его прошлое.
Новый результат показывает, что крупное столкновение не следует автоматически считать событием, которое увеличивает вероятность появления океана.
Для небольшого ледяного тела последствия могут оказаться противоположными.
Катастрофа способна разрушить спутник, изменить его внутреннее строение, временно расплавить лёд, а затем привести к быстрому охлаждению и исчезновению жидкой воды.
Океаны могут хранить информацию о прошлом спутников
Современное наличие подповерхностного океана может быть не только характеристикой внутреннего строения спутника, но и важной подсказкой о его истории.
Если небольшой ледяной мир сохраняет жидкую воду на протяжении длительного времени, это ограничивает возможные сценарии его прошлого. Некоторые варианты полного разрушения и недавнего повторного формирования становятся менее вероятными.
Таким образом, изучение океанов помогает реконструировать не только современные условия внутри спутников, но и события, происходившие с ними миллионы или миллиарды лет назад.
Судьба ледяного мира определяется не одним фактором. Размер, состав, внутреннее тепло, орбитальная динамика и история столкновений вместе формируют его современный облик.
Новое моделирование показывает, что гигантские удары могли быть важным разрушительным фактором в эволюции небольших спутников. Они способны полностью изменить внутреннюю структуру ледяного мира, но при этом далеко не обязательно создают условия для появления океана.
Напротив, для небольших объектов катастрофическое столкновение может стать событием, после которого шансы на существование жидкой воды уменьшаются. Крупные спутники способны лучше переживать такие потрясения и удерживать внутреннее тепло, тогда как небольшие миры быстрее остывают и могут потерять свои подповерхностные океаны.
Это означает, что современные океанические спутники Солнечной системы могут сохранять в своей внутренней структуре важные свидетельства того, какие катастрофы им удалось пережить — и каких, возможно, в их истории никогда не было.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
