Почему планеты круглые, а астероиды — нет?

Почему планеты круглые, а астероиды — нет? Сравните три тела одинакового объёма: куб, цилиндр, шар. У куба площадь поверхности примерно на 24% больше, чем у шара; у вытянутого цилиндра — ещё больше. Шар — форма с наименьшей поверхностью при заданном объёме.

Различие формы планет и астероидов объясняется соревнованием двух сил: гравитации, сжимающей тело к центру, и прочности породы, сопротивляющейся сжатию.

Для малых тел (радиус до ~200–300 км) прочность побеждает, и форма остаётся случайной — отсюда «картофельные» астероиды вроде Фобоса, Иды, Эроса. При большем радиусе вес верхних слоёв раздавливает нижние, порода течёт, и тело скатывается к форме с наименьшей поверхностью — к шару. Порог перехода — диаметр примерно 400–600 км.

1. крупное: только шар
2. малое: прочность держит любую форму
3. радиус ~300 км: тяжесть сминает выступы

Один закон — три обличья. Один и тот же математический принцип — минимум поверхности при фиксированном объёме — действует в трёх разных физиках: гравитация у планеты, поверхностное натяжение у капли воды и мыльного пузыря, давление газа у пузырька в стакане. Физика разная, результат одинаковый. Совпадение формы в несвязанных системах — признак общей математической структуры за разными явлениями.

Откуда порог 400–600 км. Его оценивают через размерностный анализ из сравнения гравитационного давления и прочности породы: R ≈ √(σ/Gρ²), где σ — прочность, ρ — плотность, G — гравитационная постоянная. Отсюда видно, почему ледяные тела округляются раньше каменных.

Исторический контекст. Утверждение, что среди фигур заданного периметра круг охватывает наибольшую площадь (изопериметрическая теорема), известно с античности для плоского случая; для двух измерений его доказал Штейнер, для трёх — Шварц и Минковский. Мыльный пузырь — физическая демонстрация теоремы, а не её доказательство.

Границы применимости. Быстрое вращение сплющивает шар (Земля, Юпитер, Хаумеа); состав тела меняет порог округления — ледяной Мимас становится шаром уже при 400 км, а каменная Веста при 525 км так и не стала шаром.

Кто открыл. Что самогравитирующая жидкость в покое обязана быть шаром, а при вращении — сплюснутым эллипсоидом, вывел Ньютон в «Началах» 1687 года и по сплюснутости Земли предсказал, что градус меридиана у полюса длиннее, чем у экватора; французские экспедиции в Лапландию и Перу в 1730-х это подтвердили. Формы вращающихся жидких тел — от эллипсоидов Маклорена до грушевидных фигур — разбирали Якоби, Пуанкаре и Ляпунов; Александр Ляпунов в 1900-х доказал устойчивость части этих фигур строго. Астероиды же оказались «картофелинами» лишь в 1991 году, когда «Галилео» впервые сфотографировал Гаспру вблизи¹.

Открытый вопрос. Почему у порога округления есть разброс: Веста при 525 км так и осталась угловатой, а ледяная Мимас при 400 км — шар. Прочность породы зависит от истории тела — ударов, разогрева, льда в трещинах, — и предсказать по одному размеру, округлилось ли тело, пока нельзя.