Хотя газовые гиганты нашей Солнечной системы сильно различаются по размеру и массе, у них есть что-то общее. Когда эти луны стали больше, оставшийся газ замедлил их, и они упали на планету для потребления. Лун, которые мы видим сегодня, были последними, которые сформировались вокруг их родительских планет после того, как газ рассеялся.
Каждая из внешних газообразных планет нашей Солнечной системы содержит систему из нескольких спутников, и эти объекты включают в себя вулканический Ио Юпитера и Европу с его предполагаемым подземным океаном, а также Титан с его плотной и богатой органикой атмосферой в Сатурне. Несмотря на то, что свойства отдельных спутников различаются, все системы имеют поразительное сходство: общая масса каждой спутниковой системы по сравнению с массой ее планеты-хозяина является почти почти постоянным соотношением, примерно 1: 10000.
Исследования ученых из Юго-западного научно-исследовательского института, опубликованные в выпуске журнала Nature от 15 июня, предлагают объяснение того, почему газообразные планеты демонстрируют такую согласованность и почему спутники газовых планет намного меньше по сравнению с их планетами, чем главные спутники Земли. сплошные планеты.
Каждый из четырех галилеевых спутников Юпитера примерно одинаков по размеру, в то время как у Сатурна есть один большой спутник вместе с многочисленными гораздо меньшими спутниками. Тем не менее, общая масса в обеих спутниковых системах составляет около одной сотой процента (0,0001) от массы соответствующей планеты. Структура спутниковой системы Урана похожа на структуру Юпитера, и она также демонстрирует такое же соотношение масс. Напротив, большие спутники твердых планет содержат гораздо большие доли масс своих планет, причем Луна содержит 1 процент (0,01) от массы Земли, а спутник Плутона Харон содержит более 10 процентов (0,1) своей массы.
Почему у газовых планет, каждая из которых имеет свою уникальную историю формирования, есть спутниковые системы, содержащие постоянную долю массы каждой планеты, и почему эта доля настолько мала по сравнению со спутниками на твердой планете? Доктор Робин Кануп и доктор Уильям Уорд из отдела космических исследований SwRI предполагают, что именно присутствие газа, в первую очередь водорода, при формировании этих спутников ограничивало их рост и было выбрано для массовой доли спутниковой системы.
По мере образования газовых планет они накапливали газообразный водород и твердые вещества, такие как камни и лед. Считается, что заключительная стадия образования газовой планеты включает в себя поступление газа и твердых частиц с солнечной орбиты на планетарную орбиту, в результате чего образуется диск из газа и твердых частиц, вращающихся 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 с ростом спутника, поэтому 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 при столкновении с планетой - подразумевает максимальный размер спутника на газовой планете в соответствии с наблюдениями.
Используя как численное моделирование, так и аналитические оценки роста и потери спутников, команда показывает, что вероятнее всего было несколько поколений спутников, причем сегодняшние спутники являются последним выживающим поколением, которое сформировалось по мере прекращения роста планеты и рассеивания газового диска. Кануп и Уорд демонстрируют, что во время многочисленных циклов роста и потери спутников доля массы планеты, содержащаяся в ее спутниках в любой момент времени, сохраняет значение, не сильно отличающееся от 0,0001, в широком диапазоне выбора параметров модели.
Прямое моделирование команды также является первым, чтобы произвести спутниковые системы, подобные тем, что были на Юпитере, Сатурне и Уране, с точки зрения количества спутников, их наибольших масс и разноса больших спутниковых орбит.
«Мы полагаем, что наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что спутниковые системы Юпитера и Сатурна сформировались в дисках, произведенных в то время, когда сама планета находилась в заключительной стадии роста», - говорит Кануп. «Однако происхождение уранской спутниковой системы остается более неопределенным, и вероятность того, что наши результаты будут применимы к этой планете, зависит от того, как Уран достиг своего осевого наклона почти 98 градусов, что является темой активного изучения».
Что касается внесолнечных систем, это исследование предполагает, что самые большие спутники планеты с массой Юпитера будут иметь размер от Луны до Марса, так что от экзопланет размером с Юпитера не ожидается, что они будут принимать спутники размером с Землю. Это относится к потенциальной обитаемости спутников в внесолнечных системах.
Программы НАСА по исследованию планетарной геологии и геофизики и внешних планет финансировали это исследование. Статья «Общее масштабирование для спутниковых систем газообразных планет», написанная Канупом и Уордом, появилась в номере журнала Nature от 15 июня.
Первоисточник: Пресс-релиз SwRI
