Для многих представителей нашего поколения сериал «Игра Престолов» определил целое десятилетие и во многом поспособствовал возрождению большого фэнтези в кино. При этом Игра Престолов является нарочито реалистичной, магия играет в ней ненавязчивую вспомогательную роль, а некоторые аспекты представляют немалый естественнонаучный интерес. Сегодняшний пост вдохновлён замечательной книгой «Лёд, огонь и физика: Естественнонаучная сторона Игры Престолов». Из множества странных свойств Планетоса мы рассмотрим странную хаотичную смену тёплых и холодных сезонов. Как известно, девиз дома Старков — «Зима близко», но в пределах сериала зима так и не наступила. Возможные объяснения этого феномена могут быть связаны как с небесной механикой, так и с переменностью светила в этом странном мире… а магические объяснения мы опустим.

Перепады инсоляции

При всей фантастичности климата в Вестеросе объяснить его было бы интересно в контексте исследования планет, существующих вне Солнечной системы (экзопланет). В настоящее время известны тысячи экзопланет и десятки тысяч тел-кандидатов, обнаруженных, прежде всего (но не только), с применением транзитного метода. Экзопланеты самым красноречивым образом подтверждают эмпирический «принцип Коперника» (он же «принцип заурядности»), согласно которому во Вселенной крайне трудно найти что-либо уникальное, любой объект, скорее всего, относится к множеству себе подобных. Среди известных экзопланет есть целые классы таких миров, которые не похожи ни на газовые гиганты, ни на скалистые планеты, существующие в Солнечной системе. Так, в нашей системе нет представителей двух классов миров, наиболее распространённых в Галактике, согласно наблюдениям телескопов Kepler и TESS: суперземель и горячих нептунов. Наконец, в нашей системе нет планет, которые находились бы в приливном захвате у звезды, то есть, всегда были бы обращены к своей планете одной стороной, как Луна обращена к Земле. Тем не менее, странный климат Вестероса поразителен именно нерегулярностью и продолжительностью наступающих там зим. Поэтому, чтобы попытаться рационально объяснить феномен Зимы и Долгой Ночи, нужно конкретизировать: что такое «времена года»?  

В Солнечной системе смена времён года наблюдается на Земле и на Марсе. В умеренных широтах Земли ярко выражены четыре времени года, а на Марсе, по-видимому, их только два – «лето» и «зима». Смена времён года связана с изменением наклона оси относительно той плоскости, в которой система обращается вокруг Солнца. В зависимости от наклона планеты и от того, какое полушарие планеты обращено к звезде, меняется инсоляция поверхности и циркуляция атмосферы.

По-видимому, наиболее чёткая смена четырёх времён года должна наблюдаться на планетах с наклоном оси около 25° (у Земли – 23,5°) и с минимально эллиптической орбитой, близкой к круговой. Периоды долгой зимы и долгого лета почти без осени и весны можно представить на планете, которая либо почти «лежит на боку» как Уран, либо движется по очень вытянутой эллиптической орбите, как планета Анвар из романа Гарри Гаррисона «Чувство долга». Но и в таких конфигурациях сезоны были бы регулярными, а не хаотичными, как в Вестеросе. В мире Мартина ситуация гораздо сложнее. Судя по уровню гравитации (высота деревьев, падение с высоты, размеры лошадей и тягловых животных), климату, соотношению воды и суши, давлению, оксигенации (в частности, сколько нужно топлива для разжигания огня и в принципе по интенсивности горения), мир Вестероса похож на скалистую планету земной группы. Но зима там может настать практически внезапно и продлиться неопределённо долго. Высказывались версии о том, что этот мир может располагаться в системе переменной звезды, либо что орбита планеты пролегает на значительном отдалении от звезды, и между планетой и звездой располагается облако комет или пояс ледяных астероидов. Периодически этот «рой» может перекрывать и отражать значительную часть солнечного света, одновременно вызывая наступление Зимы и Долгой ночи.

Можно представить, что угол наклона оси в мире Вестероса по какой-то причине резко увеличивается (например, при прохождении этого мира вблизи от соседней более крупной планеты). Это отчасти объясняло бы тот факт, что суровые зимы являются бичом именно для вытянутого в долготном направлении Вестероса, а народы экваториального и субэкваториального пояса в Эссосе о долгих зимах, возможно, и не знают.

Постепенная стабилизация оси могла бы происходить под воздействием крупного спутника (Луны), который в мире Мартина, безусловно, есть. Но в таком случае Зима отступала бы медленно, а о долгой холодной Весне в Вестеросе нам ничего не известно. Известны аналогичные колебания земной оси под действием Луны; такое покачивание называется нутацией и (в отличие от солнечных циклов Чижевского) практически не сказывается на климате. Соответственно, такое явление также не объясняет внезапно наступающих длительных зим.   

Задача двух тел

Ещё на момент создания романа «Солярис» (1960) предполагалось, что в двойных звёздных системах практически не может быть обитаемых планет, так как любая планета будет обращаться по крайне нестабильной орбите или перескакивать с орбиты на орбиту в звёздной паре, пока, наконец, не упадёт на одно из светил. Солярис существовал в двойной звёздной системе и «выжил» именно потому, что научился собственной «биомассой» корректировать орбиту родной планеты, уберегая её от падения на звезду. Но уже в начале 1990-х стало понятно, что планеты в двойных звёздных системах — реальность.  Теоретическое описание возможных конфигураций орбит в двойной звёздной системе было дано в 1961 году советским математиком Кириллом Александровичем Ситниковым и в его честь называется «задачей Ситникова». Задача Ситникова — это частный случай задачи трёх тел, но в конфигурации Ситникова третье тело настолько меньше двух других, что его массой можно пренебречь (одна планета между двумя звёздами). Орбита планеты располагается перпендикулярно относительно орбит звёзд, обращающихся вокруг общего центра масс. По мнению Флориана Фрайстеттера из университета Граца, наблюдаемая в Вестеросе климатическая ситуация могла бы сложиться при частном случае задачи Ситникова, когда в рассматриваемую звёздную систему входят не две звезды разной яркости, а звезда и чёрная дыра.

В таком случае, если планета периодически смещается к чёрной дыре, белая звезда, вероятно, превращается из «Солнца» в «яркую звезду на небе», а долгая зима наступает вместе с долгой ночью.

Если рассмотреть конфигурацию Ситникова с двумя звёздами, а не со звездой и чёрной дырой, то, когда планета будет находиться близко к плоскости взаимного обращения обеих звёзд, она будет получать много солнечного света. Но при перпендикулярном обращении относительно этой плоскости она должна регулярно заходить много «выше» или «ниже» неё. То есть, долгие зимы в такой конфигурации действительно наступают, но случаются регулярно, и это было бы отражено в истории наблюдений, накопленной мейстерами Цитадели, но, к сожалению, не наблюдается.  

Двойная звезда: версия Веселина Костова

1 апреля 2013 года команда астрофизиков под руководством Веселина Костова из NASA опубликовала научную статью в обоснование того, что мир Джорджа Мартина может представлять собой планету с кратной орбитой. Такие планеты уже известны. Они могут обращаться либо на очень близкой орбите сразу вокруг двух звёзд, либо в отдалении от обеих звёзд.

Именно второй случай, показанный справа, возможен в мире Мартина. Вторая звезда может быть настолько далеко, что жители Вестероса наблюдают на небе одно солнце, но периодические гравитационные пертурбации со стороны второй звезды могут вытаскивать планету на границу обитаемости первой звезды, провоцируя Долгую Ночь. Костов даже уточняет, что речь может идти о системе с кратной орбитой P-типа.  Но эта версия всё-таки плохо стыкуется с отсутствием яркого второго солнца в небе Вестероса. С учётом замечания самого Мартина, что иногда зим в Вестеросе не видели тысячелетиями, двойная система с участием звезды и чёрной дыры (или пульсара на месте чёрной дыры) лучше соответствует наблюдениям. Различные решения задачи Ситникова с реализациями на Python (с применением NumPy) обобщены в этой статье Эндрю Джозефа Дэвиса.

Горячий юпитер и роль приливного захвата

Наконец, уходя от гипотез с двойными звёздными системами, обратим внимание, что долгие зимы в Вестеросе могут свидетельствовать о переходе планеты в состояние «Земли-снежка» с частичным или полным оледенением. В такой ситуации зима и ночь могут сочетаться в случае, если наряду с обитаемой скалистой планетой в рассматриваемой системе существует горячий юпитер. Горячие юпитеры — это один из первых открытых классов экзопланет. Они представляют собой раскалённые газовые гиганты, сопоставимые по размеру с Юпитером, но обращающиеся очень близко к родительской звезде, ближе, чем Меркурий находится от Солнца. Если бы такая планета имелась в Солнечной системе, то она существенно влияла бы на вращение Венеры и Земли. Известно, что вблизи Земли существует сфера Хилла, область дальнего притяжения. Некоторые астероиды, например (3753) Круитни, надолго попадают в область притяжения Земли и становятся её спутниками. Если бы горячий юпитер периодически оказывался в приливном захвате своей звезды, а расположенная на более дальней орбите скалистая планета становилась квазиспутником газового гиганта, то скалистая планета на неопределённо долгие периоды погружалась бы в тьму и холод. Средневековая цивилизация Вестероса, возможно, считающая мир плоским и живущая докоперниковскими представлениями о небесной механике, наверняка считала бы горячий юпитер огромной (второй) луной, перекрывающей солнечный свет. Интересно, что в мифологии города Кварт, расположенного в Эссосе, действительно фигурирует некогда существовавшая огромная вторая Луна, которую квартцы отождествляют с небесным драконьим яйцом. Гравитация горячего Юпитера также могла бы фиксировать ось скалистой планеты под очень тупым углом к плоскости эклиптики, из-за чего одному из полушарий при существенном похолодании доставалось бы существенно больше света, и вместо долгой ночи там стоял бы относительно холодный «полярный день».     

Заключение

Возможно, приведённый здесь набор объяснений феномена «Зима близко» далеко не полон (надеюсь с интересом почитать комментарии). В конце концов, никто не отменял и чисто магических объяснений вестеросского климата. Этот мир может быть плоским как карта или 3D-модель, лежащая на столе у писателя, а светило может быть настольной лампой, которую писатель просто выключает, отходя ко сну. Гипотеза плоского мира в Вестеросе — отдельная захватывающая тема, к сожалению, выходящая за рамки Хабра (но, возможно, проливающая свет на то, как легко взлетают гигантские драконы, и почему в Вестеросе никто ещё не совершил кругосветного путешествия). Мне кажется весьма интересным, что период всеобщего увлечения этой прекрасной тёмной сагой совпал с первым пиком работ по поиску и классификации экзопланет. Посмотрим, сможет ли сериал поспособствовать развитию этой нарождающейся области в астрофизике.