Игра ума: обитаемый спутник газового гиганта в системе двойной звезды

[Euron]

Добрый вечер, уважаемые форумчане!
Задумал написать фантастическую повесть, действие которой разворачивается на обитаемом спутнике газового гиганта в системе двойной звезды. Хочу добиться максимальной реалистичности, чтобы даже у людей "в теме" не возникало ощущение фальши во время чтения. Так как сам я не силен в астрономии, предлагаю поучаствовать в этой игре ума всем желающим

Дано:
1. Две звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс на близком расстоянии друг от друга (0,07-0,1 а.е.). Назовем их A1 и A2.
2. А1 имеет спектральный класс G (по гарвардской классификации), А2 - К.
3. Вокруг барицентра А1-А2 вращается газовый гигант G1.
4. Вокруг газового гиганта G1 вращается спутник S1, по строению и составу близкий к таковому у Земли, но меньшего, чем Земля, размера.
5. Предполагается, что на S1 в течение длительного времени способна существовать людская община без продвинутых технических приспособлений (т.е. условия, близкие к земным: жидкая вода, соответствующий диапазон температур, биосфера и т.д.)

Вопросы:
1. Возможна ли ситуация, когда спутник не вращается синхронно с газовым гигантом (другими словами, нет приливного захвата)? Если да, то при каких условиях?
2. Существует ли такое следствие соседства с газовым гигантом, которое бы однозначно противоречило п. 5 в Дано? Например, повышенный радиационный фон.
3. Ускорение свободного падения на S1 равно 9,8. Какой минимальный размер спутника может быть, чтобы не нарушить этого условия?
4. Для человека, смотрящего на G1 с S1, газовый гигант выглядит в 2,5 раза больше, чем Юпитер для человека, смотрящего с поверхности Европы. Какой размер имеет G1 при условии, что расстояние между G1 и S1 может быть выбрано произвольно в диапазоне, не противоречащем условиям задачи?
Проще говоря, расстояние между G1 и S1 не важно само по себе для повести, но важно, чтобы это расстояние позволило спутнику выполнить все условия задачки и вписаться во все ответы на вопросы.
5. Возможна ли на S1 средняя температура в 22 С?
6. Возможна ли на S1 атмосфера, сходная с атмосферой Земли?
7. Возможны ли на S1 23-часовые сутки?
8. Ночью на S1 будет виден G1. Может ли свет, отраженный G1, быть достаточно ярким, чтобы обеспечить "белые ночи" (как вариант: тот же уровень, что и на Земле, когда небо полностью затянуто облаками).
9. Периодически на S1 должно случаться затмение, когда G1 будет собой заслонять А1-А2. Как это будет выглядеть для наблюдателя с S1?
10. Возможно ли на S1 отсутствие смены сезонов года?
11. Какое, на ваш взгляд, оптимальное расстояние от А1-А2 должно быть у G1, чтобы выполнять все перечисленные условия и не противоречить ответам на вопросы 1-9?

Кстати, буду весьма признателен, если кто-нибудь подскажет программу, в которой можно было бы создавать модели звездных систем с планетами и спутниками планет. Не профессиональный софт, конечно, достаточно такого, в котором можно получить более-менее реалистичные результаты и избежать грубых ошибок.

С уважением, Евгений.

[Olweg]

Добрый день, Евгений. Интересную систему вы придумали Попробую ответить на некоторые вопросы.

1. Только если спутник захвачен и находится на удалённой орбите. Но и тут нужно считать. Если же это аналог галилеевских спутников или Титана, то без шансов.

3. Ускорение свободного падения пропорционально произведению плотности на радиус. Поэтому для уменьшенного радиуса нужно повысить плотность. Например, за счёт увеличения доли железа в составе (как на Меркурии). Нужно учесть эффект гравитационного сжатия.

4. Размеры любого гиганта, независимо от массы, не должны слишком превышать размер Юпитера. Поэтому такой вариант не годится хотя бы из-за радиационной опасности (вопрос 2).

5, 6. Почему бы и нет? 

7. Поскольку спутник будет синхронизирован, то малореально.

8. Интересно посчитать. Во-первых, гигант будет занимать гораздо большую угловую площадь, во-вторых, его альбедо должно быть намного выше, чем у Луны. Так что читать под его светом, скорее всего, можно будет без проблем )

9. Тоже интересная задачка. Максимальное расстояние между солнцами - несколько градусов, угловой диаметр гиганта, скорее всего, будет того же порядка, так что полные затмения будут частым явлением. Можно посчитать, исходя из периода спутника и углового разделения солнц, время, через которое то и другое будут заходить за гигант.

10. Никаких проблем - достаточно, чтобы ось вращения гиганта (и оси обращения и вращения спутника, если он "классический", а не захваченный) были по нормали к эклиптике.

11. Нужно просто посчитать суммарную светимость обоих звёзд, оптимальное расстояние в астрономических единицах будет равно (в первом приближении, конечно) квадратному корню этой величины.

[AlexAV]

Тема наверно больше соответствует разделу  "Вселенная, жизнь, разум".

По пунктам.

1. Две звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс на близком расстоянии друг от друга (0,07-0,1 а.е.). Назовем их A1 и A2.
2. А1 имеет спектральный класс G (по гарвардской классификации), А2 - К.
3. Вокруг барицентра А1-А2 вращается газовый гигант G1.

Не очень понятна устойчивость орбиты планеты в таком случае. Особенно на геологически больших промежутках времени.

4. Вокруг газового гиганта G1 вращается спутник S1, по строению и составу близкий к таковому у Земли, но меньшего, чем Земля, размера.

Здесь никаких проблем нет. Собственно для планеты больше Марса проблемы с удержанием атмосферы вообще нет. Некой проблемой при размере существенно меньшим Земли (но большим Марса) может быть быстрое затухание геологической активности (она существенно для поддержания содержания углекислого газа в атмосфере). Правда в такой конфигурации это может быть решено наличием ещё одного спутника в системе, который будет обеспечивать гравитационную раскачку недр по механизму как у Ио.

1. Возможна ли ситуация, когда спутник не вращается синхронно с газовым гигантом (другими словами, нет приливного захвата)? Если да, то при каких условиях?

Можно. Достаточно быть на соответствующем расстояние от него.

2. Существует ли такое следствие соседства с газовым гигантом, которое бы однозначно противоречило п. 5 в Дано? Например, повышенный радиационный фон.

Нет. Радиационный фон  для планеты с атмосферой не важен (до поверхности все равно ничего не дойдёт). Некоторой проблемой является то, что магнитное поле и радиационные пояса планет гигантов существенно ухудшают условия удержания атмосферы планетой. Правда для масс порядка массы Земли это скорее всего будет малосущественно. В нижнем диапазоне (порядка массы Марса) - может иметь значение.

3. Ускорение свободного падения на S1 равно 9,8. Какой минимальный размер спутника может быть, чтобы не нарушить этого условия? 

У земли и так довольно большая средняя плотность. Если планета будет иметь очень большое железное ядро, то может быть чуть меньше, но не сильно. Скорее всего точно не менее половины массы земли.

4. Для человека, смотрящего на G1 с S1, газовый гигант выглядит в 2,5 раза больше, чем Юпитер для человека, смотрящего с поверхности Европы. Какой размер имеет G1 при условии, что расстояние между G1 и S1 может быть выбрано произвольно в диапазоне, не противоречащем условиям задачи?

Скорее всего противоречит условию отсутствия приливного захвата.  Т.е. надо выбирать или большая планета на небе или приливный захват.

5. Возможна ли на S1 средняя температура в 22 С?
6. Возможна ли на S1 атмосфера, сходная с атмосферой Земли?

Вполне.

7. Возможны ли на S1 23-часовые сутки?

Если нет приливного захвата - вполне (он вообще может быть любым). Возможно, что и при приливном захвате тоже (надо считать).

[AlexAV]

Поэтому такой вариант не годится хотя бы из-за радиационной опасности (вопрос 2).

Для планеты с плотной атмосферой радиация не имеет никакого значения. Разве что свечение типа полярного сияния будет, больше никаких эффектов не будет.

Естественно при условии, что планета достаточно большая, чтобы не иметь проблем с удержанием атмосферы (вот на это радиационные пояса влиять будут).

[Dayan]

1. Две звезды, вращающиеся вокруг общего центра масс на близком расстоянии друг от друга (0,07-0,1 а.е.). Назовем их A1 и A2.
2. А1 имеет спектральный класс G (по гарвардской классификации), А2 - К.
3. Вокруг барицентра А1-А2 вращается газовый гигант G1.

Не очень понятна устойчивость орбиты планеты в таком случае. Особенно на геологически больших промежутках времени.

Планеты вокруг тесных двойных звёзд вполне устойчивы. Больше десятка планет, открытых Кеплером вокруг тесных двойных звёзд, тому подтверждение. В системе Kepler-47 вообще три транзитные планеты, обращающиеся вокруг пары звёзд с 7-дневным периодом.

[AlexAV]

Планеты вокруг тесных двойных звёзд вполне устойчивы. Больше десятка планет, открытых Кеплером вокруг тесных двойных звёзд, тому подтверждение. В системе Kepler-47 вообще три транзитные планеты, обращающиеся вокруг пары звёзд с 7-дневным периодом.

Об этом я знаю. Однако вопрос в том насколько постоянны будут параметры орбит этих тел на геологически больших промежутках времени (несколько миллиардов лет). Просто не встречал опубликованные исследования этого вопроса.

[Dayan]

Об этом я знаю. Однако вопрос в том насколько постоянны будут параметры орбит этих тел на геологически больших промежутках времени (несколько миллиардов лет). Просто не встречал опубликованные исследования этого вопроса.

Я встречал много, но навскидку привести не могу. Вроде бы если отношение орбиты ближайшей планеты в 2.5 раза больше суммарного размера орбиты двойной, то планета устойчива. Вообще устойчива. Также она устойчива, если наклон орбиты планеты не превышает угол Козаи (39 градусов) к плоскости орбиты двойной.
Ещё. Орбиты всех обнаруженных планет в таких системах близки к круговым - вне зависимости от возраста систем, а также эксцентриситета орбит родительских звёзд. Это о чём-то да говорит.

[CTPAHHNK]

3. Ускорение свободного падения пропорционально произведению плотности на радиус. Поэтому для уменьшенного радиуса нужно повысить плотность. Например, за счёт увеличения доли железа в составе (как на Меркурии). Нужно учесть эффект гравитационного сжатия.

Вот это как раз тоже может оказаться далеким от реальности для спутника планеты гиганта, НЭ? Или придумать захват планетой гигантом планеты...

[AlexAV]

. Возможно, что и при приливном захвате тоже (надо считать).

Прикинул. Сутки в 23 часа получаются и у приливно-захваченного спутника. Орбита при этом будет существенно выше предела Роша (для гиганта размером с Юпитер).

В этом случае он как раз будет в 2,3 раза больше, чем Юпитер на Европе. Но виден будет только на одной стороне спутника и висеть практически в одной точке небосклона. 

[Zikbol]

Добрый вечер, уважаемые форумчане!
Задумал написать фантастическую повесть, действие которой разворачивается на обитаемом спутнике газового гиганта в системе двойной звезды. Хочу добиться максимальной реалистичности, чтобы даже у людей "в теме" не возникало ощущение фальши во время чтения. Так как сам я не силен в астрономии, предлагаю поучаствовать в этой игре ума всем желающим

"Всё это уже было в Симпсонах"(С)
В смысле, у Айзека Азимова есть такой расказ "Немезида"(кажется). Там как раз обитаем оказался спутник массивной планеты. А планету не хотели заселять, т.к. народ на ней с ума сходил.

[Klapaucius]

Об этом я знаю. Однако вопрос в том насколько постоянны будут параметры орбит этих тел на геологически больших промежутках времени (несколько миллиардов лет). Просто не встречал опубликованные исследования этого вопроса.

Я встречал много, но навскидку привести не могу. Вроде бы если отношение орбиты ближайшей планеты в 2.5 раза больше суммарного размера орбиты двойной, то планета устойчива. Вообще устойчива. Также она устойчива, если наклон орбиты планеты не превышает угол Козаи (39 градусов) к плоскости орбиты двойной.
Ещё. Орбиты всех обнаруженных планет в таких системах близки к круговым - вне зависимости от возраста систем, а также эксцентриситета орбит родительских звёзд. Это о чём-то да говорит.

Но очевидно, что меньше некоторого расстояния у таких планет, даже гигантов, не может быть миллиарды лет спутников. Особенно к близким по массе к земной, и больше, вопрос. Почему в солнечной системе из четырёх планет-гигантов нет двойных, и самый крупный из спутников Титан всего лишь в 2 раза массивнее Луны? Конечно, может совпадение. И возможно "Юпитер" даже на "орбите Земли" может иметь "Землю" хотя бы у одиночной звезды. У двойной - сомнительнее.

Период обращения, близкий к земным суткам, считаю несущественным фактором. Сойдёт цикл день/ночь и неделя, и месяц, и вообще планета (не луна, луну так "захватить" наверное невозможно) обращённая к звезде одной стороной.

[xd]

Раз модератор ВЖР считает, что тема больше подходит для ВЖР, переношу её туда.

[AlexAV]

Но очевидно, что меньше некоторого расстояния у таких планет, даже гигантов, не может быть миллиарды лет спутников.

По условию гигант вращается около общего центра масс двойной из двух компонент спектральных классов G и К в зоне жизни. Суммарная их светимость будет порядка 1 - 1,7 солнечной. Т.е. его орбита должна иметь радиус 1 - 1,3 а.е.

Спутники у планет на таком расстояние от звезды могут иметь вполне устойчивые орбиты. Система Земля-Луна прямое тому доказательство.

[Dayan]

Но очевидно, что меньше некоторого расстояния у таких планет, даже гигантов, не может быть миллиарды лет спутников. Особенно к близким по массе к земной, и больше, вопрос. Почему в солнечной системе из четырёх планет-гигантов нет двойных, и самый крупный из спутников Титан всего лишь в 2 раза массивнее Луны? Конечно, может совпадение. И возможно "Юпитер" даже на "орбите Земли" может иметь "Землю" хотя бы у одиночной звезды. У двойной - сомнительнее.

Период обращения, близкий к земным суткам, считаю несущественным фактором. Сойдёт цикл день/ночь и неделя, и месяц, и вообще планета (не луна, луну так "захватить" наверное невозможно) обращённая к звезде одной стороной.

Главное не расстояние от звезды, а радиус орбиты спутника относительно сферы Хилла планеты в системе звезда-планета - для проградных спутников орбиты устойчивы до 0.5 радиуса сферы Хилла, для ретроградных - до 0.69 радиуса сферы Хилла. Это при условии круговых и не сильно наклонных орбит (по отношению к орбите планеты угол должен быть меньше 39 градусов, иначе эффект Козаи).

[AlexAV]

10. Возможно ли на S1 отсутствие смены сезонов года?

Сезонность будет определяться прежде всего углом наклона оси вращения спутника к плоскости орбиты гиганта. Если она будет перпендикулярна к ней - сезонности не будет.

НО. Планета размером с Землю с плотностью атмосферы равной земной обязательно будет иметь выраженную широтную зональность. Т.е. в этом случае будут пояса "вечного лета" на экватое и в тропиках, "вечной осени" в умеренных широтах и "вечной зимы" на полюсах.

Если атмосферное давление будет выше земного (в пределах 1-5 бар это не противоречит пункту 5, такая атмосфера вполне пригодна для дыхания человеком), то широтная зональность будет сглаживаться из-за роста эффективности атмосферного переноса тепла. Если давление будет в 2-3 раза выше чем на земле, то практически исчезнет и  широтная зональность,  весь климат планеты станет очень равномерным.

[Ly_S]

Массивный спутник,может не удержать планета и он отдалится на индивидуальную орбиту,
вокруг звезды.

[AlexAV]

Массивный спутник,может не удержать планета и он отдалися на индивидуальную орбиту,
вокруг звезды.

Не может. Масса спутника здесь вообще не причём и на стабильность его орбиты никак влиять не будет (в данном случае масса спутника в любом случае более чем на два порядка меньше массы гиганта, т.е. пренебрежимо мала по сравнению с ней).

[Olweg]

Если атмосферное давление будет выше земного (в пределах 1-5 бар это не противоречит пункту 5, такая атмосфера вполне пригодна для дыхания человеком), то широтная зональность будет сглаживаться из-за роста эффективности атмосферного переноса тепла. Если давление будет в 2-3 раза выше чем на земле, то практически исчезнет и  широтная зональность,  весь климат планеты станет очень равномерным.

Помнится, Еськов в "Истории жизни на Земле" писал, что современная зональность вызвана ещё и разрывом океанских течений Центральноамериканским перешейком и Африкой, "въехавшей" в Европу. В мезозое климат был помягче и почти везде субтропическим, чуть ли не до полюсов включительно, из-за более равномерного перемешивания тёплых и холодных течений.

[Ly_S]

Массивный спутник,может не удержать планета и он отдалися на индивидуальную орбиту,
вокруг звезды.

Не может. Масса спутника здесь вообще не причём и на стабильность его орбиты никак влиять не будет (в данном случае масса спутника в любом случае более чем на два порядка меньше массы гиганта, т.е. пренебрежимо мала по сравнению с ней).

Звёзды слишком  близко расположены.

[AlexAV]

В мезозое климат был помягче и почти везде субтропическим, чуть ли не до полюсов включительно, из-за более равномерного перемешивания тёплых и холодных течений.
Редактировать сообщение

Это несколько устарело. Современные данные и модели дают, что и в мезозое широтная зональность была. Не такая выраженная как сейчас, слабее, но была. Как и сезонность. Умеренный пояс существовал всегда (причём зимой там температуры были существенно отрицательные и в мезозое). Разве что арктического не было, даже в высоких широтах лето было относительно тёплым и климат соответствовал скорее умеренному.

Рекомендую посмотреть вот эту работу: http://openearthsystems.org/data/readings/Cretaceous-modeling-papers/Cretaceous%20Climate-2/SellwoodandValdes2006.pdf