за то же время, какое она тратит на то, чтобы пройти полный оборот по своей орбите вокруг Земли. То есть лунный «день» должен длиться ровно столько же, сколько и лунный «год». При любом другом соотношении между скоростью осевого вращения и скоростью обращения вокруг Земли Луна неизбежно показывала бы наблюдателям нашей планеты и другую свою сторону.
Редчайшее совпадение? Отнюдь. Как ни странно, такие ситуации встречаются в Галактике довольно часто. Говорят, что Луна находится с Землей в состоянии синхронного вращения, или приливного захвата. В Солнечной системе многие спутники захвачены приливными силами своих планет, а еще часть из них состоит с материнскими планетами в более сложных взаимоотношениях, называемых резонансами. Случается и так, что и планета оказывается в состоянии синхронного вращения со своей звездой, особенно если расстояние между звездой и планетой достаточно небольшое. Мы полагаем, например, что все семь планет земного типа, обращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1 (см. главу 13), захвачены ее приливными силами. Раньше ученые думали, что и Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, – пока точные измерения его вращения не показали, что это не так.
Как явствует из самого названия этого явления, в том, что Луна всегда повернута одной и той же стороной к Земле, проявляется действие приливных сил. Мы привыкли думать о приливах как в первую очередь о чем‐то связанном с океанами. Каждый, кто жил на морском побережье, знает, что ежедневно случается два прилива, и когда мы слышим само слово, мы по привычке представляем себе подъемы, а затем закономерные спады воды. Мы знаем, что океанские приливы вызваны гравитационным притяжением Луны и, в меньшей степени, притяжением Солнца.
Есть, однако, на нашей планете и приливы другого рода, такие же частые, как океанские, но гораздо менее известные. Вас это может удивить, но где бы вы ни находились, почва под вами дважды в сутки поднимается и опускается почти на 30 см. Это явление называется земным приливом. Как и океанские приливы, земные приливы на нашей планете вызываются гравитационным притяжением Луны. Обычно мы их не замечаем, поскольку они воздействуют на площади размером в тысячи километров в поперечнике. Если, к примеру, поверхность большей части континентальных Штатов за несколько часов поднимается на 30 сантиметров, это не производит какого‐либо заметного эффекта. Земные приливы можно обнаружить только при помощи особо чувствительных приборов. (Например, ученым, работающим на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, приходится учитывать земные приливы при настройке своей сверхточной аппаратуры.)
Если Луна может вызывать земные приливы на Земле, то, значит, гравитационное притяжение Земли соответственно создает такие же приливы на почве Луны. Именно это и приводит к приливному захвату. Как и поверхность Земли, поверхность Луны обладает некоторой упругостью. Когда Земля проходит мимо нее, она отвечает на гравитационное притяжение Земли, слегка колеблясь вверх и вниз. В результате образуются так называемые приливные горбы. Такой горб всегда располагается прямо под висящей в лунном небе Землей и по мере вращения Луны перемещается по ее поверхности, так что в разное время подъем испытывают различные части Луны.
Притяжение Земли производит и еще один, несколько менее очевидный эффект – оно создает второй приливный горб на участке лунной поверхности, прямо противоположной тому, что обращен в этот момент к Земле. Проще всего представить себе это так: с одной стороны Луны («лицевой») земное притяжение приподнимает участок поверхности Луны над ее основной массой, а с другой стороны Луны («обратной») оно, наоборот, оттягивает основную массу Луны от ее поверхности. (Кстати говоря, именно существование второго приливного горба, создаваемого Луной на поверхности уже нашей планеты, и объясняет тот факт, что приливы в земных океанах случаются дважды за сутки.) Можно представить себе два приливных горба на Луне как «ручки», за которые может уцепиться Земля, притягивая Луну к себе. Если бы Луна стала совершать один оборот вокруг оси быстрее, чем за месяц (т. е. быстрее, чем она оборачивается вокруг Земли), гравитация Земли стала бы тормозить ее осевое вращение – Земля будто схватилась бы за «ручки» горбов и потянула Луну обратно. И наоборот, если бы Луна стала вращаться медленнее, Земля снова схватилась бы за «ручки» и раскрутила ее. Этот механизм действовал на протяжении всей истории существования системы «Земля-Луна», и в конце концов Луна стала оборачиваться вокруг оси ровно за месяц и оказалась постоянно обращена к нам одной и той же стороной.
Сценарий приливного захвата может воплотиться в жизнь примерно всегда, когда объект меньшего размера обращается по орбите вокруг большего, особенно если эта орбита проходит недалеко от центрального тела, а действующие в системе гравитационные силы достаточно велики. Многие из открытых нами экзопланет расположены довольно близко к материнским звездам, поэтому мы предполагаем, что по крайней мере часть из них находится в состоянии синхронного вращения. Какими могут быть условия на такой планете? Оказывается, здесь существует множество интересных вариантов, в зависимости от особенностей строения конкретной планеты и ее звезды.
Сумеречная зона
Самое очевидное следствие приливного захвата заключается в том, что обращенная к материнской звезде поверхность планеты постоянно раскалена, а противоположная сторона погружена в холод и мрак. По сути, выходит, что половина поверхности планеты – выжженная пустыня, а другая половина – ледяная тундра. Однако между этими двумя крайностями должна располагаться упомянутая выше переходная зона – идущая с севера на юг тонкая полоска, где температура удерживается в рамках, совместимых с присутствием жидкой воды. Эта переходная зона, очевидно, и должна быть тем местом, где можно надеяться найти признаки жизни знакомого нам типа.
Если бы вам случилось оказаться в этой переходной зоне, вы попали бы в очень странное место. Солнце всегда стояло бы над самым горизонтом, балансируя на грани то ли восхода, то ли заката, который так никогда и не наступает. Отойдете чуть дальше на дневную сторону, и вот вы уже в жаркой пустыне; чуть дальше в темноту – и окунетесь в леденящий холод. Вся жизнь была бы жестко ограничена пределами узкой полоски вечных сумерек.
А еще там было бы страшно ветрено. Второй закон термодинамики – один из основных законов физики (см. главу 2) – гласит, что потоки тепла должны двигаться из жарких областей в более холодные. На Земле циркуляция воздушных масс в атмосфере и крупнейшие океанские течения возникают, наряду с вращением планеты, именно вследствие разницы температур между тропическими и полярными зонами. Существование таких явлений, как Гольфстрим и преобладающие направления ветров, можно рассматривать как постоянные попытки Земли выровнять температуру на всей своей поверхности.
По сравнению с разницей температур на Земле разница температур между «дневной» и «ночной» сторонами планеты в состоянии синхронного
