Blakus esošās formācijas, „noķeršanas“ scenāriji un atlūzu diski, kas nosaka dabisko pavadoņu un gredzenu sistēmas
1. Mēnešu un gredzenu izplatība
Planētu sistēmās mēneši ir viens no spilgtākajiem rādītājiem, ka planēta gravitacionāli ietekmē mazākus ķermeņus. Mūsu Saules sistēmas milži (Jupiters, Saturns, Urāns, Neptūns) katram ir daudz pavadoņu – daži no tiem ir lieli, līdzīgi mazām planētām – kā arī izcili gredzenu veidojumi (īpaši Saturnam). Pat Zemei ir diezgan liels pavadonis – Mēness, kurš, kā uzskata, veidojās milzīga trieciena scenārijā. Tikmēr citas zvaigznes bieži vien ir aprīkotas ar atlūzu diskiem, kas norāda, ka līdzīgi procesi, kas var radīt gredzenus vai mazākus pavadoņus ap eksoplanētām, notiek arī tur. Saprast, kā pavadoņi un gredzeni veidojas, attīstās un mijiedarbojas ar savām planētām, ir būtiski, lai atklātu galīgo planētu sistēmu arhitektūru.
2. Pavadoņu veidošanās ceļi
2.1 Kopa veidojoties applanētu diskos
Milzu planētām var būt applanētu diski – mazāka zvaigžņu protoplanētu diska analoga, kas sastāv no gāzēm un putekļiem, kas riņķo ap veidojošos planētu. Šāda vide var radīt regulāros pavadoņus procesā, kas līdzinās zvaigžņu veidošanai mazākā mērogā:
- Akrecija: Cietās daļiņas planētas Hila sfērā sakrājas planetezimālos vai „mēnuliņos“ (moonlets), kas galu galā aug līdz pilnvērtīgiem mēnešiem.
- Diska evolūcija: Applanētu diska gāzes var mazināt haotiskas kustības, veidojot stabilas orbītas un saskaņotas sadursmēs augošas sistēmas.
- Kārtīgas orbītas plaknes: Tā veidojušies pavadoņi parasti riņķo tuvu planētas ekvatoriālajai plaknei un progradējās orbitās.
Mūsu sistēmā lielie Jupitera pavadoņi (Galileja pavadoņi) un Saturna Titāns, kā uzskata, veidojās apkārtplanētāru disku veidā. Šādi vienlaicīgi (co-formed) mēneši bieži atrodas rezonējošās orbītās (piemēram, Io–Europa–Ganimēda 4:2:1 rezonanse) [1], [2].
2.2 “Noķeršana” un citi scenāriji
Ne visi mēneši rodas vienlaikus – dažus, domājams, planēta “noķēra”:
- Neregulāri pavadoņi: Lielākajai daļai tālo Jupitera, Saturna, Urāna, Neptūna pavadoņu ir ekscentriskas, retrogrādas vai augsti slīpas orbītas, kas raksturīgas noķeršanas notikumiem. Tie var būt planētas mazie ķermeņi, kas pietuvojoties zaudējuši orbitālo enerģiju gāzu pretestības vai daudzķermeņu mijiedarbību dēļ.
- Lielais trieciens: Mūsu Mēness, iespējams, radās, kad Marsa izmēra protoplanēta (Teija) sadūrās ar sākotnējo Zemi, izmetot mantijas materiālu, kas saplūda orbītā. Šādi triecieni var veidot lielu, vienu mēnesi, kura daļa atbilst planētas mantijas sastāvam.
- Roša robeža un iziršana: Dažkārt lielāks ķermenis var izirt, ja tas pietuvojas planētai tuvāk nekā Roša robeža. Daļa drupatu var veidot gredzenu vai stabilas orbītas, atkārtoti saplūstot pavadoņos.
Tādējādi reālās planētu sistēmas bieži satur gan regulārus (kopīgi veidotus), gan neregulārus (noķertus vai trieciena rezultātā radušos) pavadoņu maisījumu.
3. Gredzeni: izcelsme un saglabāšana
3.1 Smalku daļiņu diski pie Roša robežas
Planētu gredzeni – tādi kā iespaidīgie Saturnam gredzeni – ir putekļu vai ledus daļiņu diski, kas atrodas diezgan tuvu planētai. Galvenais gredzena veidošanās ierobežojums ir Roša robeža, kuras iekšpusē paisuma spēki neļauj lielākam ķermenim nostiprināties, ja tas būtībā ir šķidrs vai tam nav pietiekamas pašstruktūras. Tāpēc gredzena daļiņas paliek atsevišķas, nesaplūstot mēnesī [3], [4].
3.2 Veidošanās mehānismi
- Pašūpošanās iznīcināšana: Piespiedu asteroīds vai komēta, kas pārsniedz planētas Roša robežu, var tikt iznīcināta un izkliedēta gredzena formā.
- Sadursmes vai triecieni: Lielā trieciena gadījumā esošajam pavadoņam izsviestais materiāls var palikt orbītās, veidojot gredzenu.
- Kopīga veidošanās: Saglabājusies daļa no protoplanetārā vai apkārtplanētārā diska materiāla, kas nav saplūdis mēnesī, ja tas atrodas tuvu vai iekšā Roša robežai.
3.3 Gredzenu kā dinamisku sistēmu daba
Gredzeni nav statiski. Sadursmes starp gredzena daļiņām, rezonanses ar pavadoņiem un pastāvīga daļiņu slīdēšana iekšā vai ārā nosaka gredzena struktūras. Saturnam redzamie viļņainie modeļi gredzenos rodas nelielu iekšējo vai ārējo pavadoņu (piemēram, Prometēja, Pandoras) ietekmē. Spilgtums un skaidras gredzena malas atspoguļo gravitācijas veidotu skulptūru, iespējams, uzturētu pagaidu “pavadoņu” (propellers) veidošanās un iziršanas ciklu dēļ.
4. Galvenie Saules sistēmas piemēri
4.1 Jupitera pavadoņi
Galileja pavadoņi (Io, Eiropa, Ganimeds, Kalista), visticamāk, veidojušies no subdisku ap Jupitera. To pakāpeniskā blīvuma un sastāva saistība ar attālumu no planētas atgādina modelētu "mazās Saules sistēmas" variantu. Turklāt daudzi neregulāri, tālāk esoši pavadoņi riņķo nejaušās plaknēs un bieži retrogrādi – tas liecina par nozvejas notikumu.
4.2 Saturns gredzeni un Titāns
Saturns – klasiskā gredzenveida sistēmas paradigma ar plašiem, spilgtiem galvenajiem gredzeniem, kā arī tālām, retākām "arkām" un smalkiem gredzeniem. Lielākais pavadoņs Titāns, kā uzskata, veidojies kopakrecijas ceļā, un arī citi regulārie pavadoņi (Reja, Japets) riņķo ekvatoriālās orbītās. Mazie neregulārie pavadoņi ārpusē, visticamāk, ir nozvejoti. Saturnam gredzeniem prognozēts salīdzinoši jauns vecums (<100 miljoni gadu) – tie varēja veidoties, sabrūkot nelielam ledus mēnesim [5], [6].
4.3 Urāns, Neptūns un to pavadoņi
Urāns ir unikāls ar aptuveni 98° slīpumu, iespējams, no liela trieciena. Tā lielie pavadoņi (Miranda, Arielis, Umbriels, Titanija, Oberons) riņķo gandrīz ekvatoriālās orbītās – tas liecina par kopīgu veidošanos. Urānam ir arī vāji gredzeni. Neptūns izceļas ar to, ka ir nozvejojis Trītonu ar retrogrādu orbītu – tiek uzskatīts, ka tas ir Kuipera joslas objekts, ko Neptūna gravitācija "nozagusi". Neptūna gredzeni (arkas) ir īslaicīgi veidojumi, iespējams, uzturēti ar nelielu "ganu" pavadoņu palīdzību.
4.4 Terestrisko planētu pavadoņi
- Zemes Mēness: Galvenais modelis – liels trieciens, kas izsita Zemes mantijas materiālu orbītā, kurā koncentrējās Mēness.
- Marsa pavadoņi (Fobs, Deimass): Visticamāk nozvejoti asteroīdi vai radušies no agrīna trieciena atlūzām. To mazums un neregulārās formas liecina par "nozvejas" izcelsmi.
- Nav pavadoņu: Venērai un Merkūrijam nav dabisku pavadoņu, visticamāk, veidošanās apstākļu vai vēlākas dinamiskas "attīrīšanas" dēļ.
5. Egzoplanētu konteksts
5.1 Applanētu disku novērošana
Egzoplanētu applanētu disku tiešā atklāšana joprojām ir ļoti sarežģīta, bet mums jau ir daži piemēri (piemēram, ap PDS 70b). Novērojot iespējamos veidojumus, kas līdzīgi Saturnam gredzeniem vai Jupitera subdiskiem, izvietotiem desmitiem AV no zvaigznes, var apstiprināt, ka pavadoņu kopveidošanās procesi ir universāli [7], [8].
5.2 Egzmēneši
Egzmēness noteikšana joprojām ir pašā sākumā, mums ir tikai daži kandidāti (piemēram, iespējams, Neptūna izmēra „egzmēness“ ap super-Jupitera Kepler-1625b sistēmā). Ja apstiprināsim tādu lielu egzmēnesi, tas varēja veidoties subdiskā vai tikt noķerts. Biežāk, visticamāk, ir mazāki mēneši, kurus pagaidām ir grūtāk atklāt. Nākotnē, uzlabojoties tranzītu metodēm vai tiešajai attēlošanai, būs iespējas redzēt vairāk egzmēnešu.
5.3 Gredzeni egzoplanētu sistēmās
Egzoplanētu gredzenu sistēmas teorētiski var atpazīt no tranzītu gaismas līknēm, kas rāda vairākus iegrimes pazīmes vai pagarinātus ieejas/izejas posmus. Ir pieļaujams piemērs – J1407b – ar milzīgu gredzenu sistēmu, ja tas tiks apstiprināts. Ja izdosies apstiprināt gredzenu struktūras egzoplanētās, tas stiprinātu kopējo gredzenu veidošanās mehānismu derīgumu – plūsmas izjukšanu vai atlikušā subdisku materiāla esamību.
6. Satelītu sistēmu dinamika
6.1 Plūsmas evolūcija un sinhronizācija
Kad tie veidojas, mēneši piedzīvo plūsmas mijiedarbības ar savu planētu, tādēļ bieži pāriet uz sinhrono rotāciju (kā Mēness Zemei, pastāvīgi rādot vienu pusi). Plūsmas izkliedēšanās var izraisīt orbītas paplašināšanos (kā Mēness attālināšanos no Zemes ~3,8 cm/gadā) vai tuvināšanos, ja sākotnējā rotācija ir lēnāka par satelīta orbītas kustību.
6.2 Orbitālās rezonanses
Daudzās satelītu sistēmās raksturīgas vidējā kustības rezonanses, piemēram, Io–Europa–Ganimeds 4:2:1. Tas ietekmē plūsmas sildīšanu (Io vulkanismu, iespējams, ledus okeānu Eiropā). Šīs rezonanses mijiedarbības uztur ekscentritātes un inclīncijas, kas veicina ģeoloģisko aktivitāti salīdzinoši mazos ķermeņos.
6.3 Gredzenu un satelītu savstarpējā mijiedarbība
Planētu gredzeniem var būt mazi „ganītāji“ satelīti, kas notur gredzena malas, veido plaisas vai uztur gredzena loka struktūras. Laika gaitā mikrometeoroīdu bombardēšana, sadursmes un balistiska materiāla pārnese maina gredzena daļiņas. Lielākas koncentrācijas var īslaicīgi veidot mini mēnešus („propellerus“), kas Saturnam redzami kā lokālas koncentrācijas struktūras.
7. Roša robeža un gredzena stabilitāte
7.1 Plūsmas spēki pret paša gravitāciju
Ķermenim, kas atrodas tuvāk planētai nekā Roša robeža, plūsmas spēki var pārsniegt tā paša gravitāciju (īpaši, ja tas ir šķidrs vai vāji saistīts). Cieti ķermeņi var izturēt nedaudz dziļāk, bet ledus/nesaspiesti ķermeņi var izjukāt:
- Satelīti, kas tuvojas planētai (pateicoties plūsmas mijiedarbībām), pārkāpjot Roša robežu, var izjukāt drupās un veidot gredzenus.
- Tarpo gredzena veidošanās: Pliuso izjukšana var atstāt materiālu stabilās orbītās, veidojot ilgstošu gredzenu, ja sadursmes vai dinamiskie procesi to uztur.
7.2 Vai ir novērots sabrukuša mēness gadījums?
Saturna gredzenos ir pietiekami daudz masas, lai atbilstu sabrukuša ledus pavadoņa atliekām vai saglabātajai subdiska materiāla daļai. Jaunākā Cassini datu analīze liecina, ka gredzeni varētu būt veidojušies salīdzinoši nesen (varbūt <100 miljoni gadu), ja vērtējam gredzenu optisko blīvumu. Roša robeža būtiski nosaka galveno atsauces punktu, lemjot par gredzenu un pavadoņu stabilitāti.
8. Mēnešu, gredzenu un visas planētu sistēmas evolūcija
8.1 Ietekme uz planētas dzīvotspēju
Lieli mēneši var stabilizēt planētas ass slīpumu (kā Mēness Zemes gadījumā), samazinot klimata svārstības ģeoloģiskos laikposmos. Tikmēr gredzenu sistēmas var būt īslaicīgas vai gredzens var būt starpposms pavadoņa veidošanā vai iznīcināšanā. Dzīvojamās zonas eksoplanētām lieli ekzomēneši arī var būt potenciāli dzīvotspējīgi, ja apstākļi to atļauj.
8.2 Saistība ar planētas veidošanos
Regulārie pavadoņi sniedz informāciju par planētas veidošanās vidi – applanētu diskus ar protoplanetārā diska ķīmiskajām pazīmēm. Mēneši var saglabāt orbītas, kas liecina par milzu planētu migrāciju vai sadursmēm. Neregulārie pavadoņi atklāj vēlākus „noķeršanas” vai planetesimālo izkliedi no ārējām zonām.
8.3 Liela mēroga arhitektūra un drupas
Mēneši vai gredzeni var papildus ietekmēt planetesimālo populāciju, „ieslodzot” vai izkliedējot tos rezonansēs. Mijiedarbība starp milzu planētas pavadoņiem, gredzeniem un atlikušajiem planetesimāliem var veicināt turpmāku izkliedi, galarezultātā ietekmējot visas sistēmas stabilitāti un mazo ķermeņu joslu izvietojumu.
9. Nākotnes pētījumi un misijas
9.1 Vietējie pētījumi mēnešos un gredzenos
- Europa Clipper (NASA) un JUICE (ESA) pētīs Jupitera ledus pavadoņus, izpētot pazemes okeānus un to kopveidošanās noslēpumus.
- Dragonfly (NASA) dosies uz Saturnu Titānu, pētot metāna ciklu, kas atgādina Zemes ūdens ciklu.
- Nākamajās misijās uz Urānu vai Neptūnu mēs varētu noskaidrot, kā veidojās ledus milžu pavadoņi un kā saglabājas gredzenu loki.
9.2 Ekzomēnešu meklēšana un pētījumi
Nākotnē veiktās plaša mēroga tranzītu vai tiešās attēlošanas kampaņas varētu pamanīt nelielus ekzomēnessus, izmantojot smalkas tranzīta laika izmaiņas (TTV) vai tiešu infrasarkano staru attēlošanu plašās orbītās. Vairāk ekzomēnešu atklāšana apstiprinātu, ka procesi, kas radīja Jupitera pavadoņus vai Saturnu Titānu, ir raksturīgi visumam.
9.3 Teorētiskā attīstība
Uzlaboti disku-subdisku mijiedarbibas modeļi, labākas gredzenu dinamiskas simulacijas un jaunas paaudzes HPC (augstas veiktspējas skaitļošana) var apvienot mēness veidošanās scenārijus ar planētas akrecijas ceļu. Saprast MHD turbulenci, putekļu evolūciju un Roša robežas prasības ir kritiski, lai prognozētu gredzenos ietītas eksoplanētas, masīvas submēness sistēmas vai īslaicīgas putekļu struktūras jaunizveidotās planētu sistēmās.
10. Secinājums
Mēneši un gredzenu sistēmas dabiski rodas planētu veidošanās procesā, izceļoties ar vairākiem veidošanās veidiem:
- Kopīgi veidojoties applanētu subdiskos regulāri pavadoņi, kas saglabā ekvatoriālas progradās orbītas.
- Sagūstīšana – neregulāri pavadoņi ekscentriskās vai slīpās orbītās, dažkārt arī retrogrādās, vai sagūstītas viltus planetesimālas.
- Lielais trieciens – veidojot lielu, atsevišķu mēnesi, kā Zemes Mēnesi, vai gredzenus, ja viela nonāk zem Roša robežas.
- Gredzeni, kas veidojas no plūdmaiņu iznīcināšanas tuvā orbītā vai saglabājušās subdisku vielas, kas nav pārgājusi pavadoņos.
Šie mazāka mēroga orbitālie veidojumi – mēneši un gredzeni – ir svarīgas planētu sistēmu daļas, kas izgaismo planētu veidošanās laika posmus, vides apstākļus un vēlākās dinamiskās attīstības. No Saturna spožajiem gredzeniem līdz Neptūna sagūstītajam Tritonam mūsu Saules sistēma demonstrē dažādus darbojošos procesus. Un, raugoties uz eksoplanētu pasaulēm, mēs atrodam tos pašus fizikas likumus, kas, iespējams, rada gredzenotas milzenes, daudzpavadoņu sistēmas vai īslaicīgas putekļu loku struktūras citās zvaigznēs.
Turpinot misijas, nākotnes tiešraides attēlojumus un progresīvas simulācijas, zinātnieki cer atklāt, cik plaši šie pavadoņu un gredzenu fenomeni ir vispārēji – un kā tie veido īstermiņa un ilgtermiņa planētu likteņus visā Galaktikā.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Canup, R. M., & Ward, W. R. (2006). “Kopīga masu skalēšana gāzveida planētu pavadoņu sistēmām.” Nature, 441, 834–839.
- Mosqueira, I., & Estrada, P. R. (2003). “Milzu planētu regulāro pavadoņu veidošanās paplašinātā gāzveida nebulā I: subnebulas modelis un pavadoņu akrecija.” Icarus, 163, 198–231.
- Charnoz, S., et al. (2010). “Vai Saturna gredzeni veidojās Vēlā smagā bombardēšanas laikā?” Icarus, 210, 635–643.
- Cuzzi, J. N., & Estrada, P. R. (1998). “Saturna gredzenu sastāva evolūcija meteoroīdu bombardēšanas dēļ.” Icarus, 132, 1–35.
- Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). “Mēness veidošana no ātri griezošās Zemes: milzīgs trieciens, kam seko rezonanses izslāpēšana.” Science, 338, 1047–1052.
- Showalter, M. R., & Lissauer, J. J. (2006). “Otrais Urāna gredzenu-mēness sistēmas atklājums un dinamika.” Science, 311, 973–977.
- Benisty, M., et al. (2021). “Applanētu disks ap PDS 70c.” The Astrophysical Journal Letters, 916, L2.
- Teachey, A., & Kipping, D. M. (2018). “Pierādījumi par lielu eksmēnesi, kas riņķo ap Kepler-1625b.” Science Advances, 4, eaav1784.