Мы уже знаем довольно много о том, как формируются планеты, но формирование спутников — это совершенно другой процесс, и он менее изучен. Учёные считают, что понимают, как сформировался самый важный спутник в нашей Солнечной системе (наш собственный), но его бурное рождение — это не норма и не может объяснить системы больших спутников, таких как галилеевы спутники Юпитера.
В новой главе книги, также опубликованной в виде препринта на сайте arXiv, Юхито Шибаике и Янн Алибер из Бернского университета обсуждают различные идеи, связанные с формированием больших систем спутников, особенно галилеевых, и как мы однажды сможем их дифференцировать.
Формирование галилеевых спутников
Галилеевы спутники образуют так называемый околоюпитерианский диск (ОЮД), аналог околозвёздного диска (ОЗД), который окружает Солнце, но вместо Солнца в центре находится Юпитер. Другие 93+ негалилеевых спутника Юпитера также определяют ОЮД, но их создание могло происходить иначе из-за разницы в размерах.
Согласно статье, есть три основных различия между формированием планет и формированием спутников:
1. Формирование спутников происходит в гораздо более короткие сроки — примерно в 10–100 раз быстрее, чем формирование планет.
2. Система постоянно получает дополнительный материал из ОЗД и теряет его из-за того, что находится в центре диска, в данном случае — из-за Юпитера.
3. Существует гораздо меньше примеров систем с несколькими крупными спутниками, чем планетных систем, по крайней мере, с момента открытия экзопланет 30 лет назад. Юпитер и Сатурн остаются нашими единственными примерами систем с крупными спутниками, и потребуется время, прежде чем будет обнаружена какая-либо экзоспутниковая система.
Процесс формирования
Автор рассматривает формирование нашего собственного спутника, которое кардинально отличалось от формирования галилеевых спутников.
Что мы можем сказать о формировании этих систем спутников на основе двух известных нам примеров? В статье процесс разбивается на три этапа:
1. Формирование ОЮД, который включает в себя газ, пыль и спутники. Первоначально это было поддержано «моделью минимальной массы», разработанной в 1980-х годах, которая предполагала, что диск был статичным и содержал примерно общую массу галилеевых спутников. В 2002 году была разработана новая теория, которая моделировала ОЮД как «диск с дефицитом газа», где первоначальный ОЮД был относительно беден материалом, но к нему добавлялось много дополнительного материала за счёт гравитационного захвата из ОЗД.
2. Гравитационный захват, как полагают, сыграл ключевую роль в формировании галилеевых спутников и знаменует второй этап их создания. Однако Юпитер — это планета, и одним из требований к планете является то, что она очищает свою орбитальную траекторию. Поскольку Юпитер — самая большая планета, он делает это очень эффективно, включая то, что астрономы называют «камешками» (но на Земле это может считаться приличным булыжником размером в несколько метров).
3. Один из способов, которым спутники могут накапливаться, учитывая нехватку мелкого материала, — это использование ещё более мелкого материала — мелкие частицы пыли могут попасть в ОЮД, не будучи разрушенными Юпитером, хотя есть некоторые споры о том, насколько эффективен этот процесс. Другой метод — «захват планетезималей», когда гравитационная яма Юпитера захватывает ядро того, что в итоге стало бы планетой, но в итоге оказывается просто одним из спутников гигантской планеты. Они могли быть гравитационно возмущены Сатурном, а затем замедлены на своей орбите, пройдя через газовое облако, окружающее ранний Юпитер, которое составляло ОЮД.
Различия в галилеевых спутниках
Существуют некоторые различия в самих галилеевых спутниках, которые можно использовать для доказательства или опровержения различных теорий формирования. Например, Каллисто вообще не находится в резонансе с Юпитером, в отличие от остальных его галилеевых собратьев.
Одна из потенциальных теорий заключается в том, что четвёртый спутник Юпитера был сформирован в других условиях или, возможно, был поражён собственным ударником, который сбил его с естественного пути. Каллисто снова является исключением, поскольку она лишь частично «дифференцирована» (то есть имеет отдельное ядро, мантию и внешнюю оболочку), в отличие от своих трёх товарищей. Некоторые модели аккреции камешков считают, что Каллисто всё ещё находится в начале своего пути формирования и со временем начнёт выглядеть так же, как и её сверстники.
Но в конечном счёте на эти и многие другие вопросы о формировании больших систем спутников будет сложно ответить без дополнительных данных. Миссия Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) поможет пролить свет на эти вопросы, но даже тогда у нас будет в распоряжении только один или, в лучшем случае, два набора данных.
Пока телескопы для поиска экзопланет не станут достаточно мощными, чтобы начать находить экзоспутники так же часто, как они сейчас находят планеты, многие из этих теорий формирования останутся непроверенными. Эти данные в конечном итоге появятся, и когда это произойдёт, они помогут нам лучше понять некоторые важные части нашей собственной Солнечной системы.