Сусідні формації, сценарії «захоплення» та диски уламків, що визначають системи природних супутників і кілець
1. Поширення місяців і кілець
У планетних системах місяці є одними з найяскравіших ознак того, що планета гравітаційно впливає на менші тіла. Гіганти нашої Сонячної системи (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун) кожен має безліч супутників – деякі з них великі, за розміром схожі на малі планети – а також унікальні структури кілець (особливо кільця Сатурна). Навіть Земля має досить великий супутник – Місяць, який, як вважають, утворився внаслідок гігантського удару. Водночас інші зорі часто мають диски уламків, що свідчить про те, що подібні процеси, здатні створювати кільця або менші супутники навколо екзопланет, відбуваються і там. Розуміння того, як формуються, еволюціонують і взаємодіють супутники та кільця зі своїми планетами, є необхідним для розкриття кінцевої архітектури планетних систем.
2. Шляхи формування супутників
2.1 Спільне формування у навколопланетних дисках
Гігантські планети можуть мати навколопланетні диски – менший аналог зоряного протопланетного диска, що складається з газу і пилу, який обертається навколо формуючоїся планети. Таке середовище може породжувати регулярні супутники процесами, подібними до формування зірок у меншому масштабі:
- Акреція: Тверді частинки в сфері Гілла планети накопичуються у планетезималі або «місяцеподібні тіла» (moonlets), які зрештою ростуть до повноцінних місяців.
- Еволюція диска: Газ навколопланетного диска може гасити хаотичні рухи, формуючи стабільні орбіти та сумісні системи, що зростають через зіткнення.
- Впорядковані площини орбіт: Такі супутники зазвичай обертаються поблизу екваторіальної площини планети і по проградних орбітах.
У нашій системі великі супутники Юпітера (галилеєві супутники) і випадок Титана Сатурна, як вважають, утворилися шляхом навколопланетних дисків. Такі одночасні (co-formed) місяці часто перебувають у резонансних орбітах (наприклад, резонанс Іо–Європа–Ганімед 4:2:1) [1], [2].
2.2 «Захоплення» та інші сценарії
Не всі місяці утворюються одночасно – деякі, вважають, планета «захопила»:
- Нерегулярні супутники: Більшість далеких супутників Юпітера, Сатурна, Урана, Нептуна мають ексцентричні, ретроградні або сильно нахилені орбіти, характерні для захоплення. Вони можуть бути планетезималями, які наблизилися і втратили орбітальну енергію через опір газу або взаємодії багатотільних систем.
- Великий удар: Наш Місяць, ймовірно, утворився, коли протопланета розміром з Марс (Тейя) зіткнулася з первісною Землею, викинувши матеріал мантії, який зосередився на орбіті. Такі удари можуть формувати великий, один супутник, частина якого відповідає складу мантії планети.
- Межа Роша і руйнування: Іноді більші тіла можуть розпастися, якщо наближаються до планети ближче за межу Роша. Частина уламків може утворити кільце або стабільні орбіти, знову об'єднуючись у супутники.
Отже, реальні планетні системи часто мають суміш регулярних (спільно сформованих) і нерегулярних (захоплених або утворених внаслідок удару) супутників.
3. Кільця: походження та збереження
3.1 Диски дрібних частинок біля межі Роша
Планетарні кільця – такі як вражаючі кільця Сатурна – це диски, складені з пилу або крижаних частинок, що розташовані досить близько до планети. Основним обмеженням формування кільця є межа Роша, всередині якої припливні сили не дозволяють більшому тілу зміцніти, якщо воно суттєво рідке або не має достатньої внутрішньої структури. Тому частинки кільця залишаються окремими, не зливаючись у супутник [3], [4].
3.2 Механізми формування
- Припливове руйнування: Наближений астероїд або комета, що перетинає межу Роша планети, може бути розірваний і розсіяний у вигляді кільця.
- Зіткнення або удари: При сильному ударі по існуючому супутнику викинутий матеріал може залишатися на орбітах, утворюючи кільце.
- Спільне формування: Залишок матеріалу протопланетного або навколопланетного диска, що не зосередився в супутник, якщо він знаходиться близько або всередині межі Роша.
3.3 Природа кілець як динамічних систем
Кільця не є статичними. Зіткнення між частинками кільця, резонанси з супутниками та постійне ковзання частинок всередину або назовні формують структури кільця. У кільцях Сатурна видимі хвильові структури виникають через вплив невеликих внутрішніх або зовнішніх місяців (наприклад, Прометея, Пандори). Яскравість і чіткі краї кілець відображають гравітаційну скульптуру, можливо підтримувану циклом утворення і руйнування тимчасових «місяцеподібних» (propellers).
4. Основні приклади Сонячної системи
4.1 Супутники Юпітера
Супутники Галілея (Іо, Європа, Ганімед, Калісто) ймовірно сформувалися з субдиска навколо Юпітера. Їхній поступовий щільність і склад, пов’язані з відстанню від планети, нагадують змодельований варіант «малої сонячної системи». Крім того, багато нерегулярних, віддалених супутників обертаються випадковими площинами і часто ретроградно – це свідчить про захоплення.
4.2 Кільця Сатурна і Титан
Сатурн – класична парадигма кільцевої системи з широкими, яскравими основними кільцями, а також віддаленими, рідкісними «арками» і дрібними кільцями. Найбільший супутник Титан формувався ко-акреційно, як вважають, а інші регулярні супутники (Рея, Япет) також обертаються в екваторіальних орбітах. Малі неправильні супутники зовні, ймовірно, захоплені. Для кілець Сатурна прогнозується відносно молодий вік (<100 млн. років) – вони могли утворитися внаслідок руйнування невеликого крижаного супутника [5], [6].
4.3 Уран, Нептун і їхні супутники
Уран має унікальний ~98° нахил, можливо через великий удар. Великі його супутники (Міранда, Аріель, Умбріель, Титанія, Оберон) обертаються майже в екваторіальних орбітах – це свідчить про спільне формування. Уран також має слабкі кільця. Нептун вирізняється тим, що захопив Тритон з ретроградною орбітою – вважається, що це об’єкт пояса Койпера, «вкрадений» гравітацією Нептуна. Кільця (арки) Нептуна є короткоживучими структурами, ймовірно підтримуваними невеликими «пастухами» супутниками.
4.4 Супутники терестріальних планет
- Місяць Землі: Основна модель – великий удар, який викинув матеріал мантії Землі на орбіту, де зосередився Місяць.
- Супутники Марса (Фобос, Деймос): Ймовірно, захоплені астероїди або утворені з уламків раннього удару. Їхня мала кількість і неправильна форма свідчать про «захоплення».
- Немає супутників: Венера і Меркурій не мають природних супутників, ймовірно через умови формування або подальше динамічне «очищення».
5. Екзопланетний контекст
5.1 Спостереження навколопланетних дисків
Пряме виявлення екзопланетних навколопланетних дисків досі дуже складне, але ми вже маємо кілька прикладів (наприклад, навколо PDS 70b). Спостерігаючи можливі структури, схожі на кільця Сатурна або субдиски Юпітера, розташовані на десятках AV від зірки, можна підтвердити, що процеси ко-формування супутників є універсальними [7], [8].
5.2 Екзомісяці
Виявлення екзомісяця все ще на початковому етапі, маємо лише кілька кандидатів (наприклад, можливо, екзомісяць розміром із Нептун навколо супер-Юпітера в системі Kepler-1625b). Якщо підтвердимо такого великого екзомісяця, він міг утворитися в субдиску або бути захопленим. Значно частіші, ймовірно, менші місяці, які наразі важче виявити. У майбутньому, з удосконаленням транзитних методів або прямого візуалізації, відкриються можливості побачити більше екзомісяців.
5.3 Кільця в системах екзопланет
Системи кілець екзопланет теоретично можна виявити за кривими світності транзитів, що показують кілька ознак занурення або подовжені входи/виходи. Існує припущений приклад – J1407b – з величезною системою кілець, якщо підтвердиться. Якщо вдасться підтвердити структури кілець у екзопланетах, це зміцнить загальну валідність механізмів утворення кілець – припливного руйнування або залишкової присутності матеріалу субдиска.
6. Динаміка систем супутників
6.1 Припливна еволюція та синхронізація
Коли формуються, місяці зазнають припливних взаємодій зі своєю планетою, через що часто переходять у синхронний оберт (як Місяць щодо Землі, постійно показуючи одну сторону). Припливне розсіювання може викликати розширення орбіти (як віддалення Місяця від Землі приблизно на 3,8 см/рік) або зближення, якщо первинний оберт повільніший за орбітальний рух супутника.
6.2 Орбітальні резонанси
У багатьох системах супутників характерні резонанси середнього руху, наприклад, 4:2:1 Іо–Європа–Ганімед. Вони впливають на припливне нагрівання (вулканізм Іо, можливо, підлідний океан Європи). Ці резонансні взаємодії підтримують ексцентриситети та нахили, що стимулює геологічну активність у відносно малих тілах.
6.3 Взаємодія кілець і супутників
Планетарні кільця можуть мати невеликих «пасовищних» супутників, які утримують краї кільця, формують проміжки або підтримують структури кільцевих дуг. З часом мікрометеоритне бомбардування, зіткнення, балістичний переніс матеріалу змінюють частинки кільця. Великі скупчення можуть тимчасово формувати міні-місяці («пропелери»), видимі в кільцях Сатурна як локальні структури скупчення.
7. Межа Роша та стабільність кільця
7.1 Припливні сили проти власної гравітації
Для тіла, розташованого ближче до планети, ніж межа Роша, припливні сили можуть перевищувати його власну гравітацію (особливо якщо воно рідке або нестійкої структури). Тверді тіла можуть утримуватися трохи глибше, але льодові/нестійкі тіла можуть руйнуватися:
- Супутники, що наближаються до планети (через припливні взаємодії), перетинаючи межу Роша, можуть розпадатися на уламки і формувати кільця.
- Утворення кільця з уламків: Припливне руйнування може залишати матеріал на стабільних орбітах, створюючи довготривале кільце, якщо зіткнення чи динамічні процеси його підтримують.
7.2 Чи зафіксовано випадок розпаду місяця?
У кільцях Сатурна міститься достатньо маси, щоб відповідати залишкам розпавшогося крижаного супутника або збереженій субдисковій речовині. Останній аналіз даних Cassini показує, що кільця могли утворитися відносно недавно (можливо <100 млн років), якщо оцінювати оптичну густину кілець. Межа Роша фактично визначає найважливішу відправну точку для оцінки стабільності кілець і супутників.
8. Еволюція місяців, кілець і всієї планетної системи
8.1 Вплив на життєздатність планети
Великі місяці можуть стабілізувати нахил осі планети (як Місяць для Землі), зменшуючи кліматичні коливання протягом геологічних періодів. Водночас системи кілець можуть бути короткочасними, або кільце може бути проміжним етапом формування супутника чи його руйнування. Для екзопланет у зоні життя великі екзомісяці також можуть потенційно бути придатними для життя, якщо умови це дозволяють.
8.2 Зв’язок із формуванням планети
Регулярні супутники надають інформацію про середовище формування планети – планетарні диски з хімічними ознаками протопланетного диска. Місяці можуть зберігати орбіти, що свідчать про міграцію гігантських планет або зіткнення. Нерегулярні супутники показують пізніше «захоплення» або розсіювання планетезималей із зовнішніх регіонів.
8.3 Архітектура великого масштабу та уламки
Місяці або кільця можуть додатково впорядковувати популяції планетезималей, «захоплюючи» або розсіюючи їх резонансами. Взаємодії між супутниками гігантських планет, кільцями та залишками планетезималей можуть сприяти подальшому розсіюванню, в кінцевому результаті впливаючи на стабільність усієї системи та розподіл поясів малих тіл.
9. Майбутні дослідження та місії
9.1 Локальні дослідження місяців і кілець
- Europa Clipper (NASA) та JUICE (ESA) досліджуватимуть крижані супутники Юпітера, вивчаючи підземні океани та їхні таємниці спільного формування.
- Dragonfly (NASA) полетить до Титана Сатурна, досліджуючи метановий цикл, схожий на водний цикл Землі.
- У майбутніх місіях до Урана чи Нептуна ми могли б з'ясувати, як утворилися супутники крижаних гігантів і як утримуються кільцеві дуги.
9.2 Пошук і дослідження екзомісяців
У майбутньому масштабні кампанії транзитів або прямого візуалізації можуть виявити дрібні екзомісяці через тонкі варіації часу транзиту (TTV) або пряме інфрачервоне зображення на широких орбітах. Знаходження більшої кількості екзомісяців підтвердить, що процеси, які створили супутники Юпітера чи Титана Сатурна, є типовими для Всесвіту.
9.3 Теоретичний прогрес
Удосконалені моделі взаємодії дисків-піддисків, кращі симуляції динаміки кілець та нове покоління HPC (високопродуктивних обчислень) можуть об'єднати сценарії формування місяців з шляхом акреції планети. Розуміння вимог MHD турбулентності, еволюції пилу та межі Роша є критичним для прогнозування екзопланет, оточених кільцями, масивних підмісячних систем або короткочасних пилових структур у новонароджених планетних системах.
10. Висновок
Місяці та системи кілець природно виникають у процесі формування планет, маючи кілька способів формування:
- Спільне формування у навколопланетних субдисках регулярних супутників, що зберігають екваторіальні проградні орбіти.
- Захоплення – неправильні супутники з ексцентричними або нахиленими орбітами, іноді й ретроградними, або захоплені фальшиві планетезималі.
- Великий удар – створення великого, поодинокого місяця, як Місяць Землі, або кілець, якщо речовина потрапляє нижче межі Роша.
- Кільця, що утворюються внаслідок припливного руйнування на близькій орбіті або залишкової субдискової речовини, яка не перейшла у супутник.
Ці менші орбітальні утворення – місяці та кільця – є важливими частинами планетних систем, що висвітлюють часові інтервали формування планет, умови навколишнього середовища та подальший динамічний розвиток. Від яскравих кілець Сатурна до захопленого Нептуном Тритона, наша Сонячна система демонструє різноманітні діючі процеси. А заглянувши у світи екзопланет, ми знайдемо ті ж фізичні закони, які, ймовірно, створюють кільцеподібних гігантів, багатосупутникові системи чи короткочасні структури пилових дуг у інших зірок.
Продовжуючи місії, майбутні прямі спостереження та передові симуляції, науковці сподіваються розкрити, наскільки ці явища супутників і кілець є універсальними – і як вони формують короткострокову та довгострокову долю планет по всій Галактиці.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Canup, R. M., & Ward, W. R. (2006). “Загальна масштабна залежність маси для систем супутників газових планет.” Nature, 441, 834–839.
- Mosqueira, I., & Estrada, P. R. (2003). “Формування регулярних супутників гігантських планет у розширеній газовій туманності I: модель субтуманності та акреція супутників.” Icarus, 163, 198–231.
- Charnoz, S., et al. (2010). “Чи утворилися кільця Сатурна під час Пізнього важкого бомбардування?” Icarus, 210, 635–643.
- Cuzzi, J. N., & Estrada, P. R. (1998). “Еволюція складу кілець Сатурна через метеоритне бомбардування.” Icarus, 132, 1–35.
- Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). “Створення Місяця з швидкозвертаючої Землі: гігантський удар, за яким слідує резонансне гальмування обертання.” Science, 338, 1047–1052.
- Showalter, M. R., & Lissauer, J. J. (2006). “Друга система кілець і місяців Урана: відкриття та динаміка.” Science, 311, 973–977.
- Benisty, M., et al. (2021). “Опис навколопланетного диска навколо PDS 70c.” The Astrophysical Journal Letters, 916, L2.
- Teachey, A., & Kipping, D. M. (2018). “Докази існування великого екзомісяця, що обертається навколо Kepler-1625b.” Science Advances, 4, eaav1784.