Как отличить двойную планету от планеты с большим спутником

Айзек Азимов известен как классик научной фантастики, но не так знамениты его работы по популяризации науки. Некоторые его научно-популярные книги переводились на русский язык, например, «Путеводитель по науке ^[1]», близкий по жанру к детской энциклопедии и выходивший в издательстве «Центрполиграф» в 2004 году. Но сравнительно малоизвестной осталась другая его книга «Двойная планета ^[2]», написанная в 1960 году и рассматривающая Землю и Луну как парную планету, а не просто планету и спутник.

По мнению Азимова, если бы инопланетная цивилизация наблюдала Землю и Луну, то сочла бы эту систему двойной планетой, два элемента которой обращаются вокруг общего центра масс. Но в Солнечной системе есть ещё более равновесная пара небесных тел — Плутон и Харон. Для сравнения:

Как видите, Луна крупнее Плутона. Более того, Луна находится на пятом месте по размеру среди всех спутников в Солнечной системе, уступая по размеру лишь Ганимеду, Титану, Каллисто и Ио. Вот каково соотношение размеров Земли, Луны, Плутона и Харона.

Далее рассмотрим, возможны ли с точки зрения небесной механики, геологии и астрономии полноценные двойные планеты, размеры которых в паре соотносятся как 1:1 или 1:2, и как могла бы выглядеть такая система.

В астрономии двойной планетой считается такая система взаимно обращающихся объектов, в которой оба объекта являются планетами или сопоставимы с планетами по массе, а также чей барицентр находится за пределами обоих тел. Барицентр — это общий центр масс, вокруг которого и происходит обращение тел.

Барицентр системы «Земля-Луна» находится в пределах земного шара, поэтому Луна считается спутником Земли.

Интерес к такому разграничению спутников и двойных планет возрос в 2006 году, когда Плутон исключили из числа планет, и одновременно появилась потребность точнее описать небесную механику его взаимодействий с Хароном. Среди многочисленных транснептуновых объектов нашлись и ещё как минимум три пары, близкие по параметрам к Плутону и Харону: Эрида и Дисномия (радиус 1163 и 316 км), Орк и Вант, Варда и Илмаре.

Более мелкие двойные астероиды чисто статистически ещё более многочисленны, особенно в поясе Койпера ^[3]. Уважаемый @SLY_G ^[4] разместивший на Хабре эту публикацию о поясе Койпера, несколько дней назад опубликовал не менее интересную новость ^[5] о том, что получены первые доказательства обмена горными породами между двойными астероидами. Поэтому чисто статистически остаётся вероятность, что даже в Солнечной системе будет найдена пара небесных тел, соотношение размеров в которой близко к 1:1.

Барицентр и критерии определения двойных планет

В исследовании ^[6], опубликованном в конце 2023 года (и появившемся благодаря накопленной статистике) моделируется взаимосвязь между образованием двойных планет и приливным разогревом ^[7]. Такая ситуация напоминает гипотетический краткий период в ранней истории Земли, когда она пережила столкновение с другим небесным телом. Этот объект был близок по размеру к нашей планете и получил название «Тейя ^[8]». Материал внеземного происхождения с высокой вероятностью вошёл в состав ложа Африканской и Тихоокеанской литосферных плит ^[9], а также в состав мантии.  

Искомая пара тесно расположенных миров интересна потому, что, если бы такие планеты находились в зоне обитаемости, то они, теоретически, могли бы соприкасаться магнитосферами, а также обмениваться атмосферами и биосферами (при наличии последних). В такой конфигурации планеты, вероятно, были бы скованы приливными силами ^[10] и обращались вокруг барицентра как одно целое, немного напоминая гантель с невидимой перемычкой. Ещё в 2012 году телескоп «Kepler» открыл подобную пару планет ^[11] в созвездии Лебедя, находящуюся примерно в 1200 световых годах от Земли. Приблизительно оценив, как эти планеты могли бы располагаться в Солнечной системе, Джейсон Стеффен из университета Невады пришёл к выводу, что обе они оказались бы в зоне обитаемости, и располагались бы друг от друга на расстоянии 1/10 астрономической единицы. Так впервые была признана возможность существования многообитаемых систем.

В такой конфигурации скалистые планеты могли бы стабилизировать климат друг друга. Привычный нам земной климат и, в частности, смена времён года на Земле обусловлены наклоном земной оси к плоскости эклиптики ^[12] под углом 23,5%. Джейсон Стеффен из университета Невады в Лас-Вегасе и Гонджи Ли из Смитсоновского астрофизического центра при Гарвардском университете путём компьютерного моделирования предположили ^[13], что расположенные поблизости скалистые планеты едва ли могут значительно изменить наклон оси друг у друга, но могут влиять на погоду друг друга, а также обмениваться микроорганизмами ^[14].      

В 2015 году Киган Райан, Мики Накаджима и Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института в Пасадене построили ^[15] около двадцати симуляций, в которых проверяли, как из 10 000 фрагментов могут формироваться парные планеты при различных орбитальных скоростях и углах сближения. Схожую работу выполнили ^[16] в 2018 году Андрей Хренько, Мирослав Броз и Дэвид Несворны из Пражского университета и Юго-Западного университета в Боулдере, штат Колорадо. Представляется, что примерно в трети случаев между формирующимися планетами происходят столкновения, после которых те успевают разминуться, а в отдельных случаях действительно могут образовываться двойные планеты, одна из которых оказывается у другой в приливном захвате, как Луна у Земли. Захват Луны Землёй подробно (жаль, что без картинок) описал на Хабре ^[17] уважаемый @wmlab ^[18].  

Двойные скалистые планеты должны находиться в паре очень близко друг от друга, примерно на расстоянии радиуса каждого из этих миров. Так в паре образуются «внутренние полушария», всегда обращённые друг к другу и, соответственно, к барицентру такой двойной системы.

Если такая пара планет окажется на расстоянии около одной астрономической единицы от своей звезды, а также будет защищена от прилётов инородных тел из-за пределов системы (такие тела могли бы нарушить равновесие между двумя планетами в случае столкновения с одной из них), то она может сохраняться в течение миллиардов лет. Однако, в симуляциях одна из планет постепенно отдаляется от другой, подобно тому, как Луна отдаляется от Земли ^[19].

Двойные газовые гиганты

Как известно, сложности с обнаружением скалистых планет связаны, прежде всего, с недостаточной разрешающей способностью телескопов — поэтому все вышеприведённые примеры опираются на компьютерное моделирование, общие знания о небесной механике и на допущения о примерно аналогичных парах тел из Пояса Койпера. Тем интереснее, что уже есть реальные наблюдения о парных газовых гигантах.

В январе 2025 года астрономы из группы обслуживания космического телескопа TESS ^[20] под руководством чешки Михаэлы Витковой открыли тройную систему газовых гигантов, в которую входят два горячих юпитера и один мининептун. Эта троица находится в системе TOI-4504 в созвездии Киля. Один из газовых гигантов в ней в 3,8 раз тяжелее Юпитера, а другой — в 1,4 раза. Пара заключена в орбитальном резонансе 2:1 и совершает оборот вокруг звезды за 82 дня. Вероятно, это первая известная система, в которой газовые гиганты могут вызывать приливы на поверхности друг у друга.

Нептуноподобный мир, составляющий компанию этим гигантам, по-видимому, является квазиспутником обоих и рано или поздно упадёт на один из гигантов, вернее, утонет в нём. Поиск нептунов, которые могут быть спутниками гигантов, также дал неожиданные результаты, опубликованные ^[21] в сентябре 2025 года. Как известно, газовые гиганты из Солнечной системы — Юпитер и Сатурн — близки по составу к Солнцу, то есть, содержат в основном водород и гелий. Но весной 2025 года группа учёных из Калифорнийского и Виргинского университетов под руководством Дж. Дж. Дзанацци, изучающая сейсмические свойства экзопланет, опубликовала статью ^[21] о молодом газовом гиганте (возрастом всего 13-20 миллионов лет) из системы Беты Живописца. Эта планета известна с 2019 года, она примерно в 13 раз массивнее Юпитера. Группа Дзанацци выяснила, что в ней содержится огромное количество металлов тяжелее железа — от 100 до 300 земных масс. Таким образом, она, вероятно, поглотила как скалистые планеты, так и нептуны из своей системы, которые в течение некоторого времени могли оставаться её спутниками.        

JUMBO

Наконец, одним из самых заметных и труднообъяснимых открытий последнего времени, явно свидетельствующим в пользу распространённости двойных газовых гигантов, являются так называемые JUMBO — «бинарные объекты юпитерианской массы». Они были впервые обнаружены телескопом James Webb в 2022 году, а в 2023 году оказалось, что туманность в созвездии Ориона буквально заполнена ими ^[22] — об этом писал на Хабре уважаемый @SLY_G ^[4]. В течение 2023 года в туманности Ориона было обнаружено около 40 таких пар ^[23]. Это подкласс планет-сирот — то есть, планетоподобных тел, свободно плавающих в космосе, а не заключённых в системе какой-либо звезды. Ранее я писал о таких объектах, которые именуются в англоязычных источниках «FFP» в статье «Миллиарды и миллиарды: что сегодня известно о блуждающих планетах ^[24]».

JUMBO из туманности Ориона — это пары газовых гигантов, масса каждого из которых составляет от 0,7 до 13 масс Юпитера. Расстояния между такими парами огромны и составляют от 28 до 384 астрономических единиц (одна астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца). В 2025 году команда под руководством Джессики Даймонд из Шеффилдского университета попробовала рассчитать ^[25], могут ли такие парные планеты подолгу существовать в зонах активного звездообразования — и не потому ли их так много в туманности Ориона, что именно там звездообразование идёт особенно бурно. Скорее всего, таких пар в туманности Ориона гораздо больше ^[26], просто они слишком тусклые, и обнаружить их пока удаётся только в отсветах ярких звёзд, поблизости от которых они оказываются. В 2025 году группа европейских учёных под руководством Алекса Шольца предположила, что в сравнительно плотных газопылевых облаках, таких, как туманность Ориона, газовые гиганты могут выбрасываться из формирующихся планетных систем, поскольку звёзды, обрастающие протопланетными облаками, проходят поблизости друг от друга, и эти облака задевают друг друга краями. Оказавшись за пределами родной системы, два газовых гиганта могут подолгу обращаться вокруг общего центра масс.

Группа Шольца зафиксировала у некоторых JUMBO богатые силикатами газопылевые диски, напоминающие протопланетные. Когда поблизости отсутствует звезда, такая пара гигантов, по-видимому, в общих чертах повторяет звёздную небесную механику и может обрасти общими каменистыми спутниками. Тем не менее, пока представляется маловероятным, что такие пары могут существовать долго. Постепенно удаляясь друг от друга, они должны превращаться в обычные планеты-сироты, либо, в случае слияния с себе подобными телами могут сконцентрироваться в коричневый карлик либо в подобные ему «несостоявшиеся звёзды».

Заключение

Рассмотренные здесь примеры необычных парных планет и вероятные механизмы их формирования пока далеки от серьёзного теоретического обобщения (новые данные о них появляются каждый год). Тем не менее, полагаю, что в этой статье мне удалось показать размытую границу между категориями «спутников» и «планет», а также подчеркнуть универсальность законов небесной механики как в звёздных системах, так и за их пределами. Представляется, что в интересующих нас окрестностях красных карликов ^[27] многопланетные системы окажутся более обычными, чем двойные, а планеты, тесно расположенные у родной звезды, скорее будут входить друг с другом в орбитальный резонанс ^[28], чем образовывать пару. Остаётся надеяться, что кому-то эта статья послужит вдохновением для фантастического сюжета и напомнит подзабытую классику Боба Шоу «Астронавты в лохмотьях ^[29]».