Насколько плоской может быть планета?

Мы знаем, что Земля не плоская, уже сотни лет. Есть много способов продемонстрировать это, начиная с мачт кораблей, исчезающих над горизонтом, способностью видеть дальше, забравшись повыше, и заканчивая длинными тенями, которые солнце отбрасывает на более высоких широтах. В конце концов, можно просто выйти в космос и убедиться в округлой форме нашей планеты воочию.

Но если Земле повезло с формой, это совсем не означает, что каждая планета должна быть такой. Более того, некоторые наблюдения позволяют предположить, что мы могли бы вполне получить плоскую округлую планету. Насколько плоской может быть планета?

Чтобы проверить это, можно взять твердую плиту материала — камень, сталь, алмаз или графен — и построить настолько большой плоский диск, насколько получится. Если бы вы использовали традиционные материалы вроде этих, вы могли бы создать тонкий, стабильный, плоский диск радиусом во много километров. Проще говоря, можно было бы создать плоский мир, который был бы больше, чем любой объект в нашем поясе астероидов и, возможно, размером с саму Луну.

Но его вряд ли можно было назвать планетой. Еще в 2006 году мы установили три критерия, определяющих планету. (С тех пор это определение перешло и к экзопланетам!). Чтобы быть планетой, мир:

• должен быть на орбите возле солнца (но не другого тела вроде планеты);
• должен иметь достаточно массы, чтобы его собственная гравитация преодолевала жесткие силы тела и тело достигло гидростатического равновесия (стало круглым, приплюснутым или вытянутым в случае быстрого вращения;
• должен расчистить окрестности по ходу движения на орбите (чтобы поблизости не было других крупных тел сопоставимых размеров);

Второй пункт из этого определения не совсем подходят для нашего особенного, плоского, тонкого мира. Если он недостаточно массивный, чтобы достичь гидростатического равновесия, он не может считаться планетой.

Однако способ создать относительно плоскую планету существует: заставить ее вертеться. Наша планета Земля вертится относительно медленно: проходит 24 часа, прежде чем она совершит оборот на 360 градусов. Это значит, что человек, живущий на экваторе, максимально далеко от оси вращения Земли, испытывает дополнительную скорость в 464 метра в секунду (порядка 1800 км/ч), если сравнивать с людьми на полюсах. Эта дополнительная скорость влияет на форму всей Земли и приводит к тому, что она принимает форму сплющенного сфероида: почти идеальной сферы, которая сплюснута на полюсах и вытянута на экваторе.

Диаметр Земли на экваторе составляет 12 756 километров, в то время как на полюсах — только 12 714 километра. Вы на 21 километр ближе к центру Земли, если стоите на Северном полюсе, а не на экваторе. Это не много, но ведь существуют миры, которые вращаются куда быстрее. Газовые гиганты все вращаются довольно быстро, а полюса Сатурна сжаты на 10% относительно экватора.

Но и это не предел. По законам физики, мир может быть намного более плоским. Мы никогда не видели такого, потому что все, что у нас есть, — это восемь планет, но, открывая массивные астероиды и миры в поясе Койпера, мы встречали довольно странные объекты. Вот, например, массивный объект Хаумеа в поясе Койпера, экваториальный диаметр которого по его длинной оси в два раза больше, чем по короткой оси. Соотношение 2 к 1 — это самое выдающееся в контексте гидростатического равновесия, которое мы встречали.

Ученые полагают, что быстрое вращение Хаумеа было определено столкновением, а также двумя ее известными спутниками: Хииака и Намака. Тот, что побольше, Хииака, оказывает мощное гравитационное воздействие на Хаумеа, еще сильнее усложняя систему. Хаумеа — это не просто мир с вытянутым экватором и сдавленными полюсами: у него есть три отдельных оси разной длины, которые делают его трехосным эллипсоидом.

Другими словами, Хаумеа — это лишь один из экстремальных примеров, которые нам известны; но в теории мир может быть еще более плоским. Чем плотнее планета и чем быстрее вращается, тем площе она будет. В принципе, предел плоскостности задается тем, насколько быстро может вращаться мир, прежде чем его экваториальные частицы начнут выбрасываться с планеты в космос, преодолевая гравитационное притяжение. На планете вроде Земли мы могли бы достичь максимального уплощения примерно в 3 к 1, прежде чем наш экватор начнет убегать в космос; планета, состоящая полностью из урана, могла бы достичь соотношения 5 к 1.

Чем площе планета, тем сложнее ей будет оставаться жесткой, поскольку внутренние силы будут создавать трение и дифференциальное вращение во внешних слоях. Подобно тому, как внешние части колец Сатурна вращаются медленнее, чем внутренние частицы колец, сплющенной планете придется бороться с теми же силами. Теоретически мир может быть очень плоским, но планета, которая будет абсолютно плоской, как в средневековых мифах, и при этом подчиняться законам физики, — такого не будет.