Naabruses olevad moodustised, „püüdmise“ stsenaariumid ja prahtketad, mis määravad looduslike satelliitide ja rõngaste süsteemid
1. Kuude ja rõngaste levik
Planeedisüsteemides on kuud üks silmapaistvamaid tunnuseid, et planeet mõjutab gravitatsiooniliselt väiksemaid kehasid. Meie Päikesesüsteemi hiidplaneetidel (Jupiter, Saturn, Uraan, Neptuun) on kõigil palju satelliite – osa neist on suured, väikeste planeetide suurused – samuti eristuvad rõngaste struktuurid (eriti Saturni rõngad). Isegi Maal on üsna suur kaaslane – Kuu, mis arvatakse olevat tekkinud hiiglasliku kokkupõrke stsenaariumi tulemusena. Samal ajal on teistel tähtedel sageli prahtkettaid, mis viitavad, et sarnased protsessid, mis võivad luua rõngaid või väiksemaid satelliite eksoplaneetide ümber, toimuvad ka seal. Mõista, kuidas satelliidid ja rõngad moodustuvad, arenevad ja suhtlevad oma planeetidega, on oluline, et paljastada planeedisüsteemide lõplik arhitektuur.
2. Satelliitide moodustumise teed
2.1 Koos moodustumine planeediümbristes kettades
Hiidplaneedid võivad omada planeediümbriseid kettaid – väiksemat analoogi tähe protoplaneedi kettale, mis koosneb gaasist ja tolmust ning tiirleb moodustuva planeedi ümber. Selline keskkond võib sünnitada korrapäraseid satelliite protsesside kaudu, mis meenutavad tähtede moodustumist väiksemas mastaabis:
- Akretsioon: Tahked osakesed kogunevad planeedi Hilli sfääris planetesimaalideks või „kuuikesteks“ (moonlets), mis lõpuks kasvavad täieõiguslikeks kuudeks.
- Ketta evolutsioon: Planeedi ümber oleva ketta gaasid võivad summutada kaootilisi liikumisi, moodustades stabiilseid orbiite ja kokkusobivaid süsteeme, mis kasvavad kokkupõrgete kaudu.
- Korrapärased orbiiditasandid: Nii tekkinud satelliidid tiirlevad tavaliselt planeedi ekvaatori tasandi lähedal ja progradsetes orbiitides.
Meie süsteemis tekkisid suured Jupiteri kaaslased (Galileo kaaslased) ja Saturni Titan tõenäoliselt ümberplaneediliste kettade kaudu. Sellised samaaegsed (co-formed) kuud on sageli resonantsorbiitidel (nt Io–Europa–Ganymede 4:2:1 resonants). [1], [2].
2.2 „Püük" ja teised stsenaariumid
Kõik kuud ei teki samal ajal – mõned neist arvatavasti planeet on püüdnud:
- Ebaühtlased kaaslased: Enamik kaugete Jupiteri, Saturni, Uraani ja Neptuuni kaaslastest omavad eksentrilisi, retrogradseid või tugevalt kaldu orbiite, mis on tüüpilised püügijuhtumitele. Need võivad olla planeetidevahelised kehad, mis on lähenenud ja kaotanud orbitaalse energia gaasivastuse või mitmekehalise vastasmõju tõttu.
- Suur löök: Meie Kuu tekkis tõenäoliselt siis, kui Marsi suurune protoplaneet (Theia) põrkas algse Maaga, paisates mantli materjali, mis koondus orbiidile. Sellised löögid võivad moodustada suure, ühe kuu, mille osa vastab planeedi mantli koostisele.
- Roši piir ja lagunemine: Mõnikord võib suurem keha laguneda, kui see läheneb planeedile lähemale kui Roši piir. Osa killustikust võib moodustada sõrmuse või stabiilsed orbiidid, taasühinedes kaaslasteks.
Seega on reaalsed planeedisüsteemid sageli nii regulaarsete (ühiselt moodustunud) kui ka ebaühtlaste (püütud või löögi teel tekkinud) kaaslaste segu.
3. Sõrmused: päritolu ja säilimine
3.1 Peenete osakeste kettad Roši piiril
Planeetide sõrmused – nagu Saturni muljetavaldavad sõrmused – on tolmu või jääosakestest koosnevad kettad, mis asuvad üsna lähedal planeedile. Peamine sõrmuse moodustumise piirang on Roši piir, mille sees tõmbejõud ei lase suuremal kehal tugevneda, kui see on põhimõtteliselt vedel või puudub piisav sisemine struktuur. Seetõttu jäävad sõrmuse osakesed eraldiseisvaks, mitte ei ühine kuuks [3], [4].
3.2 Moodustumismehhanismid
- Tõmbejõu lagunemine: Lähedal asuv asteroid või komeet, mis ületab planeedi Roši piiri, võib laguneda ja hajuda sõrmuse kujul.
- Osadus või löögid: Suure löögi korral olemasolevale kaaslasele võib välja paisatud materjal püsida orbiitidel, moodustades sõrmuse.
- Ühisvorming: Järelejäänud osa protoplaneedi- või ümberplaneedisest kettast, mis ei ole koondunud kuuks, kui see asub Roši piiri lähedal või sees.
3.3 Sõrmuste kui dünaamiliste süsteemide olemus
Sõrmused ei ole staatilised. Osadus sõrmuseosakeste vahel, resonantsid kaaslastega ja osakeste pidev libisemine sisse või välja määravad sõrmuse struktuure. Saturni sõrmustes nähtavad lainelised struktuurid tekivad väikeste sisemiste või välimiste kuude (nt Prometheus, Pandora) mõjul. Ereduse ja selgete sõrmuse servadega peegeldub gravitatsiooniline skulptuur, mida võib toetada ajutiste „kuukeste“ (propellers) tekkimise ja lagunemise tsüklid.
4. Peamised Päikesesüsteemi näited
4.1 Jupiteri kaaslased
Galileo kaaslased (Io, Europa, Ganymedes, Callisto) tekkisid tõenäoliselt Jupiteri alaketastest. Nende tiheduse ja koostise järkjärguline muutus, mis on seotud kaugusega planeedist, meenutab modelleeritud "väikese päikesesüsteemi" varianti. Lisaks tiirleb palju ebaühtlasi, kaugemaid kaaslasi juhuslikes tasandites ja sageli retrogradaalselt – viitab püügile.
4.2 Saturni rõngad ja Titan
Saturn – klassikaline rõngassüsteemi paradigma laia ja eredate põhiringidega, samuti kaugete, hõredamate "kaarjate" ja väikeste rõngastega. Suurim kaaslane Titan tekkis tõenäoliselt ko-akretsiooni teel, nagu arvatakse, ja teised regulaarsemad kaaslased (Rhea, Japetus) tiirlevad samuti ekvatoriaalsel orbiidil. Väikesed ebaühtlased kaaslased väljas on tõenäoliselt püütud. Saturni rõngaste eeldatav suhteliselt noor vanus (<100 mln aastat) – võisid tekkida väikese jääkuu lagunemisel [5], [6].
4.3 Uraan, Neptuun ja nende kaaslased
Uraan omab unikaalset ~98° kaldenurka, tõenäoliselt suure kokkupõrke tagajärjel. Tema suured kaaslased (Miranda, Ariel, Umbriel, Titania, Oberon) tiirlevad peaaegu ekvatoriaalsel orbiidil – viitab üheaegsele tekkimisele. Uraanil on ka nõrgad rõngad. Neptuun paistab silma, kuna on püüdnud Tritoni retrogradaalsel orbiidil – arvatakse, et see on Kuiperi vöö objekt, mille Neptuuni gravitatsioon on "varastanud". Neptuuni rõngad (kaarjad) on lühiajalised struktuurid, mida võib toetada väikeste "karjaste" kaaslaste olemasolu.
4.4 Maa-laadsete planeetide kaaslased
- Maa Kuu: Peamine mudel – suur kokkupõrge, mis paiskas Maa mantelmaterjali orbiidile, kus Kuu koondus.
- Marsi kuud (Fobos, Deimos): Tõenäoliselt püütud asteroidid või varajase kokkupõrke fragmentidest tekkinud. Nende vähesus ja ebaühtlane kuju viitavad "püügile".
- Puuduvad kuud: Veenusel ja Merkuuril puuduvad looduslikud kaaslased, tõenäoliselt tingitud tekketingimustest või hilisemast dünaamilisest "puhastamisest".
5. Eksoplaneetide kontekst
5.1 Ümber planeetide ketaste vaatlus
Egzoplanetide ümber planeetide ketaste otsene avastamine on endiselt väga keeruline, kuid meil on juba mõned näited (nt ümber PDS 70b). Vaadates võimalikke struktuure, mis sarnanevad Saturni rõngastele või Jovi alaketastele, mis paiknevad kümnete AV kaugusel tähest, saab kinnitada, et kaaslaste ko-formeerumise protsessid on universaalsed [7], [8].
5.2 Eksokuud
Eksokuu avastamine on endiselt algusjärgus, meil on vaid mõned kandidaadid (nt võimalik Neptuuni suurune „eksokuu“ super-Jupiteri Kepler-1625b süsteemis). Kui kinnitame sellise suure eksokuu, võis see tekkida subketta sees või olla püütud. Tõenäoliselt on palju sagedasemad väiksemad kuud, mida on praegu raskem avastada. Tulevikus, parandades transiidi meetodeid või otsepildistamist, avaneb võimalus näha rohkem eksokuusid.
5.3 Rõngad eksoplaneetide süsteemides
Eksoplaneetide rõngasüsteeme saab teoreetiliselt tuvastada transiitide valguskõveratest, mis näitavad mitut sissepõrke tunnust või pikenenud sisenemisi/väljumisi. On oletatav näide – J1407b – millel on hiiglaslik rõngasüsteem, kui see kinnitust leiab. Kui õnnestub kinnitada rõngastruktuurid eksoplaneetidel, tugevdaks see üldist rõngaste tekkemehhanismide kehtivust – tõmbejõudude lagunemist või allesjäänud subketta materjali olemasolu.
6. Kuuobjektide süsteemide dünaamika
6.1 Tõmbejõuline evolutsioon ja sünkroniseerimine
Kui kuud moodustuvad, kogevad nad tõmbejõudude mõjusid oma planeediga, mis sageli viib sünkroonse pöörlemiseni (nagu Kuu Maale, alati näidates sama külge). Tõmbejõudude hajumine võib põhjustada orbiidi laienemist (nagu Kuu kaugenemine Maast ~3,8 cm/aastas) või lähenemist, kui esialgne pöörlemine on aeglasem kui kuu orbiidiliikumine.
6.2 Orbiidiresonantsid
Paljudes kuusüsteemides on iseloomulikud keskmise liikumise resonantsid, nt Io–Europa–Ganimede 4:2:1. See mõjutab tõmbejõudude soojendust (Io vulkanismi, võimalikku jääalust ookeani Europal). Need resonantsilised mõjud säilitavad eksentrilisust ja kaldeid, soodustades geoloogilist aktiivsust suhteliselt väikestes kehades.
6.3 Rõngaste ja kuude vastastikune mõju
Planeedirõngad võivad sisaldada väikeseid „karjuseid“ kuusid, kes hoiavad rõnga servu, loovad vahealasid või toetavad rõnga kaare struktuure. Aja jooksul muudavad mikrometeoriitide pommitamine, kokkupõrked ja ballistiline materjali transport rõnga osakesi. Suuremad kogunemised võivad ajutiselt moodustada mini-kuusid („propellerid“), mis on Saturni rõngastes nähtavad lokaalsete kontsentratsioonistruktuuridena.
7. Roši piir ja rõnga stabiilsus
7.1 Tõmbejõud vs enda gravitatsioon
Keha, mis asub planeedist lähemal kui Roši piir, võib tõmbejõudude tõttu kogeda jõude, mis ületavad selle enda gravitatsiooni (eriti kui see on vedel või nõrga struktuuriga). Kõvad kehad võivad püsida veidi sügavamal, kuid jääst või nõrgast materjalist kehad võivad laguneda:
- Kuuobjektid, mis lähenevad planeedile (tõmbejõudude mõjul), ületades Roši piiri, võivad laguneda killustikuks ja moodustada rõngaid.
- Tarpo rõnga moodustumine: Tõmbejõudude lagunemine võib jätta materjali stabiilsetele orbiitidele, moodustades pikaajalise rõnga, kui kokkupõrked või dünaamilised protsessid seda toetavad.
7.2 Kas on täheldatud lagunenud kuu juhtumit?
Saturni rõngastes on piisavalt massi, et vastata lagunenud jääkuu jäänustele või säilinud alamketta materjalile. Viimased Cassini andmete analüüsid näitavad, et rõngad võisid tekkida suhteliselt hiljuti (võib-olla <100 mln aastat), kui hinnata rõngaste optilist tihedust. Roche'i piir määratleb põhilise võrdluspunkti rõngaste ja kaaslaste stabiilsuse hindamisel.
8. Kuu-, rõngas- ja kogu planeedisüsteemi evolutsioon
8.1 Mõju planeedi elujõulisusele
Suured kuud võivad stabiliseerida planeedi telje kalde (nagu Kuu Maal), vähendades kliimakõikumisi geoloogilistel ajaperioodidel. Samal ajal võivad rõngassüsteemid olla lühiajalised või rõngas võib olla vahefaas kuu moodustumisel või selle lagunemisel. Elamiskõlblikes tsoonides eksoplaneetidel võivad suured eksokuud samuti olla potentsiaalselt elujõulised, kui tingimused seda võimaldavad.
8.2 Seos planeedi moodustumisega
Regulaarsed kaaslased annavad teavet planeedi moodustumiskeskkonna kohta – planeediümbrised kettad koos protoplaneediketta keemiliste märkidega. Kuud võivad säilitada orbiite, mis viitavad hiidplaneetide migratsioonile või kokkupõrgetele. Eregulaarsed kaaslased näitavad hilisemat „püüdmist“ või planetesimaalide hajutamist välispiirkondadest.
8.3 Suuremõõtmeline arhitektuur ja praht
Kuud või rõngad võivad täiendavalt korraldada planetesimaalide populatsioone, „vangistades“ või hajutades neid resonantside kaudu. Hiidplaneedi kaaslaste, rõngaste ja ülejäänud planetesimaalide vahelised interaktsioonid võivad soodustada edasist hajutamist, mõjutades lõppkokkuvõttes kogu süsteemi stabiilsust ja väikeste kehade vööde jaotust.
9. Tulevased uuringud ja missioonid
9.1 Kohalikud uuringud kuudel ja rõngastel
- Europa Clipper (NASA) ja JUICE (ESA) uurivad Jupiteri jääkaaslasi, analüüsides maa-aluseid ookeane ja nende kaasloomise saladusi.
- Dragonfly (NASA) lendab Saturni Titanile, uurides metaani tsüklit, mis meenutab Maa vee tsüklit.
- Tulevastes missioonides Urani või Neptuuni suunas võiksime välja selgitada, kuidas moodustusid jäähiidude kaaslased ja kuidas rõngaste kaared püsivad.
9.2 Eksokuude otsing ja uurimine
Tulevikus läbiviidavad ulatuslikud transiitide või otsese pildistamise kampaaniad võiksid avastada nõrku eksokuusid peente transiidi aja muutuste (TTV) või otsese infrapuna pildistamise kaudu laialdastel orbiitidel. Rohkemate eksokuude leidmine kinnitaks, et protsessid, mis lõid Jupiteri kaaslased või Saturni Titani, on universaalsed.
9.3 Teoreetiline areng
Täiustatud ketaste-alamketaste interaktsioonimudelid, paremad rõngaste dünaamika simulatsioonid ja uue põlvkonna HPC (kõrge jõudlusega arvutused) võivad ühendada kuu moodustumise stsenaariumid planeedi akretsiooniteega. MHD turbulentsi, tolmu evolutsiooni ja Roche'i piiri nõuete mõistmine on kriitiline, et ennustada rõngastega ümbritsetud eksoplaneete, massiivseid alamkuusüsteeme või lühiajalisi tolmustruktuure äsja tekkivates planeedisüsteemides.
10. Kokkuvõte
Kuud ja rõngassüsteemid tekivad loomulikult planeetide moodustumise protsessis, omades mitmeid tekkemehhanisme:
- Koos tekkivad planeediümbristes subkettades regulaarsed kaaslased, säilitades ekvatoriaalsed progradised orbiidid.
- Püüdmine – ebaühtlased kaaslased ekstsentrilistel või kaldu orbiitidel, mõnikord ka retrogradaalsed, või püütud võltsplaneetesimaalid.
- Suur põrge – luues suure, üksiku kuu nagu Maa Kuu või rõngad, kui materjal satub Roši piiri alla.
- Rõngad, mis tekivad lähedal asuva orbiidi tõmbejõu lagundamise või allesjäänud subketta materjali tõttu, mis ei ole kaaslaseks muutunud.
Need väiksema ulatusega orbiidilised moodustised – kuud ja rõngad – on olulised planeedisüsteemide osad, mis toovad esile planeetide tekkimise ajavahemikud, keskkonnatingimused ja hilisema dünaamilise arengu. Alates Saturni eredatest rõngastest kuni Neptuuni püüdnud Tritonini näitab meie Päikesesüsteem mitmesuguseid toimivaid protsesse. Ja vaadates eksoplaneetide maailma, leiame samad füüsikaseadused, mis võivad luua rõngastega hiiglasi, mitmekaaslasesüsteeme või lühiajalisi tolmukaare struktuure teistes tähtedes.
Jätkates missioone, tulevasi otsepilte ja arenenud simulatsioone, loodavad teadlased paljastada, mil määral on need kaaslaste ja rõngaste nähtused universaalsed – ning kuidas need kujundavad planeetide lühiajalist ja pikaajalist saatust kogu galaktikas.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Canup, R. M., & Ward, W. R. (2006). „Ühine massiskaala gaasiliste planeetide kaaslaste süsteemidele.“ Nature, 441, 834–839.
- Mosqueira, I., & Estrada, P. R. (2003). „Hiidplaneetide regulaarsete kaaslaste teke ulatuslikus gaasilises nebuulas I: subnebuula mudel ja kaaslaste akretsioon.“ Icarus, 163, 198–231.
- Charnoz, S., et al. (2010). „Kas Saturni rõngad tekkisid hilise raske pommitamise ajal?“ Icarus, 210, 635–643.
- Cuzzi, J. N., & Estrada, P. R. (1998). „Saturni rõngaste koostise areng meteoriidide pommitamise tõttu.“ Icarus, 132, 1–35.
- Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). „Kuu teke kiiresti pöörlevast Maast: hiidkokkupõrge ja sellele järgnev resonantsiline aeglustumine.“ Science, 338, 1047–1052.
- Showalter, M. R., & Lissauer, J. J. (2006). „Uraani teine rõngas-kuusüsteem: avastus ja dünaamika.“ Science, 311, 973–977.
- Benisty, M., et al. (2021). „Ümber PDS 70c paiknev planeediümbrise ketas.“ The Astrophysical Journal Letters, 916, L2.
- Teachey, A., & Kipping, D. M. (2018). „Tõendid suure eksokuuga Kepler-1625b orbiidil.“ Science Advances, 4, eaav1784.