Chociaż gazowi olbrzymy Układu Słonecznego różnią się znacznie pod względem wielkości i masy, mają one coś wspólnego. Gdy księżyce te stawały się większe, resztki gazu spowolniły je i spadły na planetę, aby je pochłonąć. Księżyce, które dziś widzimy, były ostatnimi, które powstały wokół planet macierzystych po rozproszeniu gazu.
Na każdej z zewnętrznych planet gazowych naszego Układu Słonecznego znajduje się system wielu satelitów, a obiekty te obejmują wulkaniczne Io Jowisza i Europę z jej rzekomym podpowierzchniowym oceanem, a także Tytana z gęstą i bogatą w organiczne atmosfery na Saturnie. Chociaż poszczególne właściwości satelitów są różne, wszystkie systemy mają uderzające podobieństwo: całkowita masa każdego systemu satelitarnego w porównaniu z masą planety macierzystej jest bardzo zbliżona do stałego stosunku, około 1: 10 000.
Badania naukowców z Southwest Research Institute, opublikowane w numerze Nature z 15 czerwca, proponują wyjaśnienie, dlaczego planety gazowe wykazują tę spójność i dlaczego satelity planet gazowych są o wiele mniejsze w porównaniu do swojej planety niż główne satelity stałe planety.
Każdy z czterech galilejskich satelitów Jowisza ma mniej więcej podobny rozmiar, podczas gdy Saturn ma jednego dużego satelitę wraz z wieloma znacznie mniejszymi satelitami. Mimo to całkowita masa w obu systemach satelitarnych stanowi około jednej setnej jednego procenta (0,0001) masy odpowiedniej planety. Uranska struktura systemu satelitarnego jest podobna do struktury Jowisza, a także wykazuje ten sam stosunek mas. Natomiast duże satelity planet stałych zawierają znacznie większe ułamki mas ich planety, z Księżycem zawierającym 1 procent (0,01) masy Ziemi, a satelita Plutona, Charon, zawiera ponad 10 procent (0,1) jego masy.
Dlaczego planety gazowe, każda z własną unikalną historią formacji, mają systemy satelitarne zawierające stałą część masy każdej planety i dlaczego ta część jest tak mała w porównaniu z satelitami z planety stałej? Dr Robin Canup i dr William Ward z Wydziału Badań Kosmicznych SwRI sugerują, że obecność gazu, przede wszystkim wodoru, podczas formowania się tych satelitów ograniczała ich wzrost i wybrano do wspólnej frakcji masowej systemu satelitarnego.
Podczas formowania się planet gazowych gromadziły się wodór i substancje stałe, takie jak skały i lód. Uważa się, że ostatni etap formowania się planety gazowej obejmuje napływ zarówno gazu, jak i ciał stałych z orbity słonecznej na orbitę planetarną, wytwarzając dysk gazu i ciał stałych krążących wokół planety w płaszczyźnie równikowej. Uważa się, że w obrębie tego dysku powstały satelity.
Canup i Ward uważali, że grawitacja rosnącego satelity indukuje fale spiralne w otaczającym dysku gazowym oraz że oddziaływania grawitacyjne między tymi falami a satelitą powodują kurczenie się orbity satelity. Efekt ten staje się silniejszy w miarę wzrostu satelity, więc im większy satelita, tym szybciej jego orbita krąży w kierunku planety. Zespół sugeruje, że równowaga dwóch procesów - ciągłego napływu materiału do satelitów podczas ich wzrostu i utraty satelitów w wyniku zderzenia z planetą - implikuje maksymalny rozmiar satelity planety gazowej zgodny z obserwacjami.
Korzystając zarówno z symulacji numerycznych, jak i analitycznych szacunków wzrostu i utraty satelitów, zespół pokazuje, że prawdopodobne było wiele generacji satelitów, przy czym dzisiejsze satelity są ostatnim pokoleniem, które powstało, gdy ustał wzrost planety, a dysk gazowy rozproszył się. Canup i Ward pokazują, że podczas wielu cykli wzrostu i utraty satelity ułamek masy planety zawarty w satelitach w danym momencie utrzymuje wartość nie bardzo różną od 0,0001 w szerokim zakresie wyboru parametrów modelu.
Bezpośrednie symulacje zespołu są również pierwszymi, które wyprodukowały systemy satelitarne podobne do Jowisza, Saturna i Urana pod względem liczby satelitów, ich największych mas i odległości dużych orbit satelitów.
„Uważamy, że nasze wyniki stanowią mocny przypadek, że systemy satelitarne Jowisza i Saturna uformowały się w dyskach wytworzonych w czasie, gdy sama planeta znajdowała się w końcowych fazach wzrostu”, mówi Canup. „Jednak pochodzenie systemu satelitarnego Urana pozostaje bardziej niepewne, a prawdopodobieństwo, że nasze wyniki będą miały zastosowanie do tej planety, zależy od tego, w jaki sposób Uran osiągnął prawie 98-stopniowe przechylenie osiowe, co jest tematem aktywnych badań”.
W przypadku układów pozasłonecznych badania te sugerują, że największe satelity planety o masie Jowisza miałyby rozmiar Księżyca do Marsa, tak więc nie należy oczekiwać, że egzoplanety wielkości Jowisza będą miały satelity tak duże jak Ziemia. Jest to istotne z punktu widzenia potencjalnej możliwości zamieszkania satelitów w układach pozasłonecznych.
Programy badań geologii planetarnej i geofizyki oraz planet zewnętrznych NASA finansowały te badania. Artykuł „Wspólne skalowanie masy dla systemów satelitarnych planet gazowych” autorstwa Canup i Warda pojawia się w numerze Nature z 15 czerwca.
Oryginalne źródło: SwRI News Release
