Несмотря на то, что газовые гиганты нашей Солнечной системы сильно различаются по размеру и массе, у них есть что-то общее. Каждая планета примерно в 10 000 раз массивнее совокупной массы всех их спутников. Во время формирования планет каменистые луны выросли из твердого материала, окружающего каждую планету. По мере того, как эти луны становились больше, оставшийся газ замедлял их, и они падали на планету для потребления. Луны, которые мы видим сегодня, были последними, которые образовались вокруг своих родительских планет после того, как газ рассеялся.
Каждая из внешних газовых планет нашей Солнечной системы содержит систему из нескольких спутников, и эти объекты включают вулканический Ио и Европу Юпитера с предполагаемым подземным океаном, а также Титан с его плотной и богатой органическими веществами атмосферой на Сатурне. В то время как свойства отдельных спутников различаются, все системы имеют поразительное сходство: общая масса каждой спутниковой системы по сравнению с массой ее планеты-хозяина является почти постоянным соотношением, примерно 1: 10 000.
Исследование ученых из Юго-Западного исследовательского института, опубликованное в номере журнала Nature от 15 июня, предлагает объяснение того, почему газовые планеты демонстрируют такую стабильность и почему спутники газовых планет настолько меньше по сравнению с их планетами, чем основные спутники этих планет. твердые планеты.
Четыре галилеевых спутника Юпитера примерно одинаковы по размеру, в то время как у Сатурна есть один большой спутник вместе с множеством гораздо меньших спутников. Даже в этом случае общая масса в обеих спутниковых системах составляет примерно одну сотую процента (0,0001) массы соответствующей планеты. Спутниковая система Урана похожа на структуру Юпитера, и у нее такое же соотношение масс. Напротив, большие спутники твердых планет содержат гораздо большие доли массы своих планет: Луна составляет 1 процент (0,01) массы Земли, а спутник Плутона Харон - более 10 процентов (0,1) ее массы.
Почему у газовых планет, каждая из которых имеет уникальную историю формирования, есть спутниковые системы, содержащие постоянную долю массы каждой планеты, и почему эта доля настолько мала по сравнению со спутниками твердых планет? Доктор Робин Кэнап и доктор Уильям Уорд из отдела космических исследований SwRI предполагают, что именно присутствие газа, в первую очередь водорода, во время формирования этих спутников ограничило их рост и выбрано для общей массовой доли спутниковой системы.
По мере формирования газовых планет они накапливали водород и твердые вещества, такие как камни и лед. Считается, что заключительная стадия формирования газовой планеты включает приток газа и твердых тел с солнечной орбиты на планетарную орбиту, в результате чего образуется диск из газа и твердых тел, вращающийся вокруг планеты в ее экваториальной плоскости. Считается, что именно внутри этого диска сформировались спутники.
Кануп и Уорд считали, что гравитация растущего спутника вызывает спиральные волны в окружающем газовом диске, и что гравитационные взаимодействия между этими волнами и спутником вызывают сужение орбиты спутника. Этот эффект усиливается по мере роста спутника, так что чем больше становится спутник, тем быстрее его орбита движется по спирали внутрь к планете. Команда предполагает, что баланс двух процессов - продолжающийся приток материала к спутникам во время их роста и потеря спутников из-за столкновения с планетой - подразумевает максимальный размер спутника газовой планеты, совместимый с наблюдениями.
Используя численное моделирование и аналитические оценки роста и потери спутников, команда показывает, что вероятно несколько поколений спутников, и сегодняшние спутники являются последним выжившим поколением, которое сформировалось, когда рост планеты прекратился и газовый диск рассеялся. Кэнап и Уорд демонстрируют, что во время нескольких циклов роста и потери спутников доля массы планеты, содержащаяся в ее спутниках в любой момент времени, сохраняет значение, не сильно отличающееся от 0,0001 при широком диапазоне выбора параметров модели.
Прямое моделирование, проведенное командой, также является первым в создании спутниковых систем, аналогичных системам Юпитера, Сатурна и Урана с точки зрения количества спутников, их наибольшей массы и расстояний между орбитами больших спутников.
«Мы считаем, что наши результаты представляют собой убедительное доказательство того, что спутниковые системы Юпитера и Сатурна сформировались в дисках, образовавшихся, когда сама планета находилась на заключительной стадии своего роста», - говорит Кануп. «Однако происхождение спутниковой системы Урана остается более неопределенным, и вероятность того, что наши результаты будут применимы к этой планете, зависит от того, как Уран достиг своего почти 98-градусного наклона оси, что является предметом активных исследований».
Что касается внесолнечных систем, это исследование предполагает, что самые большие спутники планеты с массой Юпитера будут иметь размер от Луны до Марса, поэтому не ожидается, что на экзопланетах размером с Юпитера будут размещаться спутники такого размера, как Земля. Это имеет отношение к потенциальной обитаемости спутников в внесолнечных системах.
Программы NASA по планетарной геологии и геофизике и исследованиям внешних планет финансировали это исследование. Статья Канупа и Уорда «Общий масштаб массы для спутниковых систем газообразных планет» опубликована в номере журнала Nature от 15 июня.
Первоисточник: Выпуск новостей SwRI