21. Распределение массы и критическая скорость
21.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ
21.1.1. НЕСОВЕРШЕНСТВО ТЕОРИИ ОДНОРОДНОГО ДИСКА
В теориях типа лапласовой предполагается, что вещество, из которого образовались планеты, первоначально было распределено в виде более или менее однородного диска. О несовершенстве такого подхода говорилось в разд. 2.4 и 11.2. Для полноты теория типа Лапласа, применимая к планетной системе, должна быть применима и к системам спутников. Поэтому обратимся к эмпирическим аспектам теории Лапласа с точки зрения ее применимости к системам спутников.
Как говорилось в разд. 18.10, распределенная плотность (см. разд. 2.4-2.5) для группы внутренних спутников Сатурна (рис. 2.5.3) достаточно однородна от системы колец до Реи и в пределах этой группы может быть приемлема теория однородного диска. Но за пределами Реи имеется обширная область, лишенная материи, за которой следуют гигантский спутник Титан, очень маленький Гиперион и средних размеров Япет. Еще большее различие между картиной однородного диска и наблюдаемым распределением массы обнаружено в системе спутников Юпитера (рис. 2.5.2). Хотя в области галилеевых спутников плотность достаточно однородна, как внутри, так и снаружи нее имеются пустоты. Аналогичная картина общего распределения плотности справедлива также для системы спутников Урана (рис. 2.5.4).
Таким образом, распределенные плотности в системах спутников Юпитера, Сатурна и Урана не подтверждают теорию однородного диска. Очевидно, что распределение плотности в системе планет неоднородно. В действительности распределенная плотность изменяется в 107 раз (рис. 2.5.1).
Несмотря на это, многие астрофизики верят в однородный диск как среду, предшествующую планетной системе. Низкую плотность в области астероидов можно тогда считать «вторичным» эффектом, возникающим за счет некоторого вида «неустойчивости», вызванной Юпитером. Однако при современных условиях орбиты нескольких больших планет (например, в 10—100 раз
превышающих по массе Марс) в пространстве между Марсом и Юпитером были бы во всех отношениях точно так же абсолютно стабильны, как орбиты современных астероидов. И не было предложено ни одного правдоподобного механизма, который объяснил бы, как Юпитер мог предотвратить образование планет в этой области.
Кроме этих очевидных несоответствий между предполагаемой однородностью и наблюдаемыми в действительности распределениями массы в Солнечной системе, идея диска в целом связывается с теоретической концепцией сжимающейся массы газа, которая может коллапсировать, образуя как центральное тело, так и окружающие его вторичные тела, проходя при этом промежуточную стадию образования диска. Как отмечалось в разд. 11.2, малые тела не могут образоваться таким путем и сомнительно, достаточно ли велик даже Юпитер, чтобы он смог образоваться за счет такого процесса коллапса. Другой убедительный аргумент против гравитационного коллапса газового облака основан на изохронности собственных вращений (см. разд. 
и гл. 13). Кроме того, в гл. 20 было установлено, что и химический состав небесных тел свидетельствует против однородного диска Лапласа. Другие аргументы против такого диска обнаружены в детальной структуре колец Сатурна и поясе астероидов (см. разд. 18.6, 18.8). Крайне маловероятно, что эти особенности можно объяснить с помощью модели Лапласа или гравитационного коллапса.
21.1.2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗМЕЩЕНИЕ МАССЫ: ВЫБРОС МАССЫ
Таким образом, гипотеза однородного диска нереалистична в применении к любой из существующих систем центральных тел, окруженных вторичными телами, которые движутся по орбитам вокруг них. Поэтому нужно искать другие объяснения того, каким образом масса, образовавшая птанеты и спутники, могла быть размещена в окрестностях центральных тел.
В принципе масса, из которой теперь состоят планеты и спутники, могла или выбрасываться из центрального тела, или выпадать по направлению к нему из внешнего пространства. Трудно представить себе, как спутник мог быть выброшен из своей планеты и расположиться на современной орбите. Такие процессы выдвигались много раз, но они всегда встречали опровергающие возражения. Совсем недавно такой процесс был предложен для объяснения происхождения Луны, но была показана его неприемлемость (см. [238] и гл. 24).
Еще менее привлекателен этот процесс для объяснения, например, происхождения спутников Урана. Действительно, для размещения спутников Урана на их современных орбитах (почти компланарных и круговых) потребовалась бы вся изощренность
траекторного контроля современной космической техники. Маловероятно, чтобы какой-либо естественный процесс, затрагивающий тела, выброшенные из Урана, мог достичь этого результата.
В некотором отношении менее неестествен выброс дисперсной среды, доводимой впоследствии до состояния частичной коротации; но для зтого требуется очень мощный источник энергии, который вряд ли имеется на Уране. Более того, даже в этом случае запуск должен быть так искусно отрегулирован, чтобы вещество не выбрасывалось в бесконечность, а размещалось на орбитах на требуемых расстояниях. Если рассматривать поверхность Урана как стартовую площадку, то наиболее удаленные спутники обладают гравитационными энергиями, составляющими более 99% от энергии, необходимой для вылета в бесконечность.
21.1.3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗМЕЩЕНИЕ,МАССЫ: ВЫПАДЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Таким образом, более заманчивым будет обратиться к другому варианту, согласно которому вторичные тела образуются из вещества, выпадающего из «бесконечности» (расстояния, большего радиуса орбиты спутника). Это вещество (после торможения и при наличии достаточного момента количества движения) аккумулируется на определенных расстояниях от центрального тела. Такой процесс возможен тогда, когда атомы или молекулы в свободном падении достигают кинетической энергии, равной их энергии ионизации. На этой стадии газ может стать ионизованным благодаря процессу, рассмотренному в разд. 21.4; затем ионизованный газ может тормозиться магнитным полем центрального тела и приобретать момент количества движения вследствие его переноса от центрального тела, как описано в разд. 16.3.
