Учёные выяснили при каких условиях у Венеры мог существовать спутник

Венера сегодня не имеет естественного спутника и вращается вокруг своей оси в направлении, противоположном направлению её обращения вокруг Солнца, с периодом около 243 суток. Новое исследование показывает, что крупный спутник мог сформироваться у планеты после гигантского столкновения и сохраняться миллиарды лет, но только при определённых начальных условиях. Его судьба зависела прежде всего от скорости вращения Венеры, массы спутника, расстояния до планеты и эксцентриситета его орбиты.

Исследователи смоделировали совместную приливную эволюцию вращения Венеры и орбиты гипотетического спутника. Рассматривались начальные периоды вращения планеты от 5 до 100 часов, масса спутника от 0,01 до 10 масс Луны и расстояние от 3,5 до 25 радиусов Венеры. Расчёты проводились с использованием двух моделей приливного взаимодействия — постоянного фактора качества Q и постоянной задержки прилива.

Ключевую роль играет синхронная орбита. Если спутник находится за её пределами, он удаляется от Венеры, передавая планете часть своего углового момента и одновременно замедляя её вращение. Из-за этого синхронная орбита расширяется. Если она догоняет спутник, направление миграции меняется и спутник начинает приближаться к планете.

Для начальной орбиты на расстоянии 5 радиусов Венеры критический период вращения составляет около 16,1 часа. При более медленном вращении спутник сразу оказывается внутри синхронной орбиты и быстро движется к пределу Роша. В расчётах такие спутники разрушались менее чем за 1 млн лет независимо от массы.

При быстром вращении Венеры ситуация меняется. Спутник массой с Луну при начальном периоде вращения планеты 12 часов или меньше может сохраняться в течение 4,5 млрд лет. При периоде 8 часов он сначала удаляется примерно до 25 радиусов Венеры, после чего начинает медленно приближаться, но не успевает достичь предела Роша за возраст Солнечной системы.

Большая масса спутника, однако, повышает вероятность его последующего разрушения. Более массивное тело сильнее тормозит вращение Венеры, поэтому синхронная орбита расширяется быстрее и может догнать спутник. В модели постоянного Q спутник массой две Луны при начальном периоде вращения 8 часов разрушается примерно через 1,7 млрд лет, а при 12 часах — всего через 33 млн лет. Для спутника массой пять лунных масс разрушение происходит примерно за 100 млн лет или быстрее.

На судьбу маломассивных спутников влияет другой механизм. При начальном периоде вращения Венеры менее примерно 10 часов приливные взаимодействия могут увеличивать эксцентриситет орбиты. Для спутника с небольшой массой этот процесс способен привести к его потере из системы даже при начальном эксцентриситете всего 0,01. Более массивные спутники быстрее замедляют Венеру и выводят систему из режима роста эксцентриситета.

Модели приливной эволюции дают разные результаты для массивных спутников. Модель постоянного Q предсказывает их разрушение после обратного движения через предел Роша, тогда как модель постоянной задержки прилива допускает переход в квазисинхронное состояние. Например, для спутника массой две Луны и периода вращения Венеры 8 часов первая модель даёт время разрушения 1,7 млрд лет, а вторая предсказывает сохранение спутника на протяжении возраста Солнечной системы.

Полученные результаты согласуются с идеей, что отсутствие спутника у Венеры могло быть естественным следствием её ранней эволюции. Если гигантское столкновение оставило планету быстро вращающейся и сформировало диск вещества за пределами синхронной орбиты, спутник мог возникнуть. Но при более медленном вращении Венеры он оказался бы обречён на быстрое разрушение. В некоторых сценариях диск после столкновения вообще находился бы внутри синхронной орбиты и повторно выпал бы на планету, не сформировав долгоживущий спутник.

Спутник мог влиять и на раннюю обитаемость Венеры, стабилизируя наклон её оси и вызывая сильные приливы в возможном древнем океане. Его разрушение у предела Роша сопровождалось бы выделением энергии и выпадением большого количества силикатного материала на поверхность и в атмосферу.

В расчётах не учитывались атмосферные приливы Венеры, возникающие из-за солнечного нагрева. Они способны дополнительно замедлять вращение планеты и, вероятно, сокращать время жизни спутника. Поэтому реальные условия его сохранения могли быть ещё более ограниченными.

Исследование показывает, что отсутствие спутника у современной Венеры не обязательно требует позднего катастрофического события, выбросившего его из системы. Спутник мог либо не сформироваться после гигантского столкновения, либо возникнуть, а затем исчезнуть в результате обычной приливной эволюции. Наиболее благоприятными для долговременного существования спутника лунной массы были начальные периоды вращения Венеры около 10–12 часов и небольшая эксцентричность орбиты.