Обитаемая луна большой планеты?

[Василевский]

Хочу немного пофантазироватьпотеоретизировать, основываясь на реальной физике. Читаю и смотрю фильмы. Вижу, порой проскакивают земные колонии на поверхности планет, вращающихся у крупных планет (cпутник). Жизнь, большие океаны и т.п. Возникает у меня вопрос: а всё описываемое великолепие не помножут ли на ноль приливные силы от самой крупной планеты и соседних лун? Вообще долговременное существование на спутниках крупных планет больших обитаемых человеческих колоний реально? И какие физические эффекты с нынешней точки зрения поставят преграды перед существованием таких колоний?
Чтобы упростить. Возьмем для модели условия попадаемые в фантастических произведениях - спутник по температуре поверхности, силе гравитации и внутренней структуре похож на Землю.
Как на него будет влиять физика со стороны материнской планеты и соседей-лун.
Думаю приливные силы всё помножат на ноль
Как в Интерстелларе


P.S. Тот же Явин 4 из Звездных войн Там помимо Явина-4 возле планеты-гиганта вращались более 20 лун. Красиво и живо на картинке снизу. Ни вулканов, ни разломов.

[Geen]

Как в Интерстелларе

Чушь показана.

Почитайте о спутниках Юпитера и Сатурна.

[Goodricke]

Как в Интерстелларе

Бредовый фильм! 

[LV46]

Как в Интерстелларе

Такая "суперволна",  а воды по колено. Редкая чепуха.
Сам-то фильм еще ничего, вот этот момент с такими волнами - фигня.

[Klapaucius]

А что предлагается обсудить? Землеподобный спутник у планеты-гиганта? Так то скорее Аватар, а не Интерстеллар. Кстати соседи-луны вовсе не обязательны. Скорее совсем не нужны. Более того, при наличии спутника околоземной массы, да ещё в такой близи от звезды чтобы был фотосинтез - вряд ил возможно наличие других лун. Впрочем если бы 2 таких спутника, размером больше Марса, может и возможно. Надо вычислять. И искать у экзопланет. Но экзопланет размером с Юпитер или хотя бы Нептун в такой зоне пока не обнаружено. Тем более спутников у них, размером с Землю. Да и планет размером с Землю тоже.

[Ulmo]

С моей точки зрения для такого спутника существенным отличием по сравнению с Землей будет длительность дня - она будет больше и из-за этого  могут быть большие суточные перепады температуры.

[paxan96]

А в приливном захвате планеты, то есть гиганта, спутник будет имеет цикл дня и ночи, т к будет в захвате уже у гиганта. А это повышает вероятность жизни.

[vika vorobyeva]

Планеты-гиганты в обитаемой зоне своих звезд известны, есть среди них и планеты на близких к круговым орбитах.
Например, HD 17674 b, HD 188015 b, HD 216435 b. Все они могут иметь крупные спутники, сравнимые по массе, например, с Марсом. Разумеется, спутники будут приливно захвачены и повернуты к планете только одной стороной, причем их орбиты будут лежать в плоскости ее экватора. Их период вращения будет равен орбитальному периоду, поэтому смена дня и ночи на таком спутнике вполне будет происходить. "Сутки", скорее всего, будут больше земных, в районе нескольких дней – пары недель. У Европы период обращения 3.551 суток, у Ганимеда 7.155 суток, у Титана 15.95 суток.
Крупный планетоподобный спутник может быть один, как Титан у Сатурна, а может быть и несколько, как галилеевы спутники Юпитера. Наличие нескольких крупных спутников поспособствует повышенной вулканической активности, так что если она вам не нужна, выбирайте один крупный спутник
На климат спутника будет влиять как расстояние до звезды (инсоляция), так и газовый гигант. Гигант в небе спутника будет висеть неподвижно. В точке, лежащей на линии между центрами планеты и спутника, гигант будет висеть в зените, в других точках ниже, где-то будет торчать куполом у горизонта, а на противоположном полушарии вообще не будет виден, и там небо будет как на Земле (с поправкой на другой рисунок созвездий).

В течение местных "суток" у гиганта будет происходить полная смена фаз. При нулевом или малом наклоне оси вращения планеты к нормали к плоскости ее орбиты (близкая ситуация на Юпитере) каждые сутки в полдень местное солнце будет скрываться за диском гиганта – такая внезапная ночь на час-другой Ночи там, напротив, будут очень светлыми, потому что в небе будет висеть огромный диск гиганта с высоким альбедо. Если, как на Сатурне, ось вращения будет наклонена к плоскости орбиты, такое будет происходить только вблизи равноденствий. Также полушарие, обращенное к гиганту, будет теплее из-за дополнительной подсветки.

В целом лучше выбирать гигант с температурным режимом, средним между температурными режимами Земли и Марса, тогда влияние гиганта будет компенсировать некоторый недостаток освещенности от звезды.

[paxan96]

А если гигант раза в 2-3 или на порядок больше Юпитера, не могут ли быть спутники у него размером с Землю?

[vika vorobyeva]

Больше – в смысле массивнее?
Радиус планет-гигантов не зависит от их массы и равен (для не очень горячих планет) радиусу Юпитера. У коричневых карликов будет примерно такой же радиус, и у очень маломассивных звезд тоже. Поэтому если объект в 3 раза БОЛЬШЕ Юпитера – он 100% маломассивная звезда (красный карлик).

По поводу масс спутников – вопрос сложный. С одной стороны, у планет-гигантов Солнечной системы отношение массы центральной планеты к совокупной массе спутников близко к 4-5 тысячам. Но далеко не факт, что это универсальный закон, есть же еще системы Земля-Луна и Плутон-Харон. Но даже если это отношение универсальное, можно отмасштабировать систему Юпитера и получить несколько планет размером с Марс, а то и больше, со вполне землеподобным климатом (повышенная вулканическая активность приведет к большей дегазации недр, более плотной, чем на Марсе, атмосфере, большему количеству воды, и т.д.)

[paxan96]

Да я имел ввиду массу.

[Olweg]

Нужно ещё учитывать стабильность орбиты спутника. Для проградной орбиты (все крупные спутники в нашей системе проградны, кроме ретроградного Тритона) орбиты устойчивы в пределах 0.3 радиуса сферы Хилла. Радиус рассчитывается по формуле


Для Юпитера на орбите Земли сфера Хилла составит около 0.07 а.е., или 10 млн км. Соответственно, спутники смогут устойчиво существовать на орбитах ближе 3 млн км. Зависимость от соотношения масс планеты и звезды пропорциональна корню квадратному, а от расстояния до звезды - прямая. Можно представить массивный гигант в зоне жизни яркого красного карлика со светимостью, скажем, 1% солнечной и массой треть солнечной (что-нибудь типа Gliese 876). При массе планеты в 1 юпитер устойчивые орбиты будут в пределах 0.5 млн км, при массе 4 юпитера - в пределах 1.5 млн км. Это вполне широкий диапазон, в который попадают наши Ганимед и Титан. Ганимед, например, не испытывает сильных приливных возмущений. Так что даже у красных карликов обитаемые спутники у крупных планет-гигантов возможны. Их обитаемость, может быть, будет даже выше, чем у планет, из-за того, что они приливно захвачены планетой, а не звездой, и будут испытывать смены дня и ночи.

[Maki]

Но далеко не факт, что это универсальный закон, есть же еще системы Земля-Луна и Плутон-Харон.

А если пойти ещё дальше, и обойтись вообще без планеты - гиганта?
Возможна ли теоретически двойная планета  - например, "земля" и "суперземля"?

[Olweg]

Почему нет. Массивный аналог того же Плутона и Харона.

[Инопланетянин]

Наличие нескольких крупных спутников поспособствует повышенной вулканической активности, так что если она вам не нужна, выбирайте один крупный спутник

Нужна обязательно. Если обитаемый спутник марсоподобный по массе - он без приливный раскачки быстро выдохнется.

Также полушарие, обращенное к гиганту, будет теплее из-за дополнительной подсветки.

С другой стороны полушарие отвёрнутое от ГГ днём будет приближаться к местному светилу, а обращённое наоборот отодвигаться. А учитывая закон обратных квадратов, как бы там не было теплее.

В целом лучше выбирать гигант с температурным режимом, средним между температурными режимами Земли и Марса, тогда влияние гиганта будет компенсировать некоторый недостаток освещенности от звезды.

Ещё может быть очень протяжённая атмосфера при нормальном давлении из-за малого градиента. Это сильный парниковый эффект. Да, в таком случае лучше подальше.

[Klapaucius]

Но далеко не факт, что это универсальный закон, есть же еще системы Земля-Луна и Плутон-Харон.

А если пойти ещё дальше, и обойтись вообще без планеты - гиганта?
Возможна ли теоретически двойная планета  - например, "земля" и "суперземля"?

Без звезды - вполне. Правда холодно и уныло будет, наверняка. Со звездой - зависит от расстояния. Ну и звезде должны быть миллиарды лет, иначе сложная жизнь не успеет развиться.

[vika vorobyeva]

Если удовлетвориться преимущественно углекислотной атмосферой и ходить по поверхности в кислородных масках, то массу спутника можно оценить из соображений подобия На Марсе (масса 0.107 масс Земли) давление в среднем 0.006 атм., на Венере (масса 0.815 масс Земли) давление в среднем 92 атм., отсюда масса спутника с давлением 1 атм. должна быть в 3.18 раза больше массы Марса или в 2.4 раза меньше массы Венеры, т.е. 0.34 массы Земли.

У Марса средняя плотность 3.94 г/куб.см, у Венеры 5.24 г/куб.см, возьмем среднее гармоническое 4.54 г/куб.см. Планета массой 0.34 масс Земли и такой средней плотности будет иметь радиус 0.745 земного и ускорение свободного падения 0.61 земного.

Высота однородной атмосферы (шкала высот) составляет k·T/(m·g). Средняя относительная молекулярная масса воздуха равна 29, углекислотной атмосферы – 44, поэтому стандартная шкала высот углекислотной атмосферы превысит земную лишь на 7%. Для атмосферы, аналогичной земной, она будет больше в 1/0.61 = 1.64 раза.

Наконец, если считать, что масса спутников составляет 1/5000-ю массы гиганта, для существования спутника массой 0.34 масс Земли нужен гигант массой 5.4 масс Юпитера. Если взять за образец Солнечную систему, в которой совокупная масса планет примерно в тысячу раз меньше массы Солнца, то масса гиганта составит только 1.07 масс Юпитера Добавим до 2 масс Юпитера и накидаем еще несколько спутников для приливного разогрева Вполне правдоподобная картина, таких планет достаточно.

[Olweg]

Если взять за образец Солнечную систему, в которой совокупная масса планет примерно в тысячу раз меньше массы Солнца, то масса гиганта составит только 1.07 масс Юпитера Добавим до 2 масс Юпитера и накидаем еще несколько спутников для приливного разогрева

Не понял этого момента. Массы гигантов же слабо корреллируют с массой звезды. Ну, или, точнее, корреллируют - у красных карликов планеты-гиганты редкость - но у звёзд солнечной массы легко можно встретить и сверхмассивную планету где-нибудь с десяток юпитеров.

Кстати, вчера прикинул устойчивую зону для Gliese 876 b - у него как раз 2 массы Юпитера и он на внешней границе зоны жизни - получается без малого 1.8 млн км, почти влезает Каллисто. Ну а Каллисто уж - совершенно инертный спутник.

PS Нет, похоже ошибся вчера - сегодня получается 1.16 млн км. Всё же Ганимед, а не Каллисто. Впрочем, на устойчивость может повлиять и внутренний гигант.

[Olweg]

Можно представить массивный гигант в зоне жизни яркого красного карлика со светимостью, скажем, 1% солнечной и массой треть солнечной (что-нибудь типа Gliese 876). При массе планеты в 1 юпитер устойчивые орбиты будут в пределах 0.5 млн км, при массе 4 юпитера - в пределах 1.5 млн км.

Да, на ночь глядя такими расчётами лучше не заниматься. Для массы 1 юпитер посчитал правильно, а вот откуда я потом взял 1.5 млн км - непонятно. На самом деле всего 700 тысяч. Но светимость 1% солнечной - довольно умеренный вариант. Бывают и М-карлики с болометрической светимостью в несколько процентов солнечной. Кроме того, лучше брать именно внешнюю зону зоны жизни. При массе звезды 0.5 солнечной (карлик класса М0-М1V) и планете массой 4 юпитера на орбите 0.3 ае радиус зоны устойчивости составит около 1.85 млн км. Надеюсь, на этот раз правильно оценил.

[Ulkolainen]

В течение местных "суток" у гиганта будет происходить полная смена фаз. При нулевом или малом наклоне оси вращения планеты к нормали к плоскости ее орбиты (близкая ситуация на Юпитере) каждые сутки в полдень местное солнце будет скрываться за диском гиганта – такая внезапная ночь на час-другой  Ночи там, напротив, будут очень светлыми, потому что в небе будет висеть огромный диск гиганта с высоким альбедо. Если, как на Сатурне, ось вращения будет наклонена к плоскости орбиты, такое будет происходить только вблизи равноденствий. Также полушарие, обращенное к гиганту, будет теплее из-за дополнительной подсветки.

Мифология у них интересная разовьётся (если, конечно, доэвоюционируют до неё).