Кольца и наклон Сатурна могут быть результатом отсутствия древней луны

Кольца Сатурна, вращающиеся вокруг экватора планеты, являются явным признаком того, что планета вращается под наклоном. Гигант с поясом вращается под углом 26,7 градуса относительно плоскости, в которой он вращается вокруг Солнца. Астрономы давно подозревали, что этот наклон происходит из-за гравитационного взаимодействия с его соседом Нептуном, поскольку наклон Сатурна прецессирует, как волчок, почти с той же скоростью, что и орбита Нептуна.

Но новое исследование моделирования, проведенное астрономами из Массачусетского технологического института и других источников, показало, что хотя две планеты когда-то были синхронизированы, Сатурн с тех пор избежал притяжения Нептуна. Что было ответственно за эту планетарную перестройку? У команды есть одна тщательно проверенная гипотеза: пропавшая луна.

В исследовании, опубликованном в журнале Science , команда предполагает, что Сатурн, у которого сегодня есть 83 спутника, когда-то имел по крайней мере еще один дополнительный спутник, который они назвали Кризалис. Исследователи предполагают, что вместе со своими братьями и сестрами Хризалис вращалась вокруг Сатурна в течение нескольких миллиардов лет, притягивая и дергая планету таким образом, что ее наклон или «наклон» находились в резонансе с Нептуном.

Но около 160 миллионов лет назад, по оценкам команды, Хризалис стал нестабильным и подошёл слишком близко к своей планете во время столкновения, которое разорвало спутник на части. Утраты Луны было достаточно, чтобы вывести Сатурн из хватки Нептуна и оставить его с нынешним наклоном.

Более того, предполагают исследователи, в то время как большая часть разрушенного тела Кризалис могла столкнуться с Сатурном, часть его фрагментов могла остаться на орбите, в конечном итоге разбиваясь на маленькие ледяные куски, образующие характерные кольца планеты.

Таким образом, пропавший спутник может объяснить две давние загадки: нынешний наклон Сатурна и возраст его колец, возраст которых ранее оценивался примерно в 100 миллионов лет — намного моложе, чем сама планета.

«Так же, как куколка бабочки, этот спутник долгое время бездействовал, а затем внезапно стал активным, и появились кольца», — говорит Джек Уиздом, профессор планетарных наук Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования.

Соавторами исследования являются Рола Дбук из Массачусетского технологического института, Буркхард Милитцер из Калифорнийского университета в Беркли, Уильям Хаббард из Университета Аризоны, Фрэнсис Ниммо и Бринна Дауни из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Ричард Френч из колледжа Уэлсли.

Момент прогресса

В начале 2000-х годов ученые выдвинули идею о том, что наклонная ось Сатурна является результатом резонанса или гравитационной связи планеты с Нептуном. Но наблюдения, сделанные космическим кораблем НАСА «Кассини», который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, придали проблеме новый поворот. Ученые обнаружили, что Титан, крупнейший спутник Сатурна, мигрирует от Сатурна быстрее, чем ожидалось, со скоростью около 11 сантиметров в год. Быстрая миграция Титана и его гравитационное притяжение привели ученых к выводу, что Луна, вероятно, была ответственна за наклон и удержание Сатурна в резонансе с Нептуном.

Но это объяснение зависит от одного важного неизвестного: момента инерции Сатурна, то есть того, как масса распределяется внутри планеты. Наклон Сатурна может вести себя по-разному, в зависимости от того, сосредоточена ли материя в его ядре или ближе к поверхности.

«Чтобы продвинуться в решении проблемы, нам нужно было определить момент инерции Сатурна», — говорит Уиздом.

Потерянный элемент

В своем новом исследовании Уисдом и его коллеги попытались определить момент инерции Сатурна, используя некоторые из последних наблюдений, сделанных Кассини в его «Большом финале», фазе миссии, во время которой космический корабль сделал очень близкое сближение, чтобы точно нанести на карту гравитационное поле вокруг всей планеты. Гравитационное поле можно использовать для определения распределения массы на планете.

Уисдом и его коллеги смоделировали внутреннюю часть Сатурна и определили распределение массы, которое соответствовало гравитационному полю, наблюдаемому Кассини. Удивительно, но они обнаружили, что этот недавно обнаруженный момент инерции поместил Сатурн близко к резонансу с Нептуном, но сразу за его пределами. Планеты, возможно, когда-то были синхронизированы, но больше не синхронизированы.

«Затем мы начали искать способы вывести Сатурн из резонанса Нептуна», — говорит Уиздом.

Сначала команда провела моделирование, чтобы изменить орбитальную динамику Сатурна и его спутников назад во времени, чтобы увидеть, могли ли какие-либо естественные нестабильности среди существующих спутников повлиять на наклон планеты. Этот поиск оказался пустым.

Итак, исследователи пересмотрели математические уравнения, описывающие прецессию планеты, то есть то, как ось вращения планеты изменяется с течением времени. Один член в этом уравнении имеет вклад от всех спутников. Команда рассудила, что если из этой суммы исключить один спутник, это может повлиять на прецессию планеты.

Вопрос заключался в том, насколько массивным должен быть этот спутник и какой динамике он должен подвергнуться, чтобы вывести Сатурн из резонанса Нептуна?

Уисдом и его коллеги провели моделирование, чтобы определить свойства спутника, такие как его масса и радиус орбиты, а также орбитальную динамику, которая потребуется, чтобы вывести Сатурн из резонанса.

Они пришли к выводу, что нынешний наклон Сатурна является результатом резонанса с Нептуном и что потеря спутника Кризалис, который был размером с Япет, третий по величине спутник Сатурна, позволила ему избежать резонанса.

Где-то между 200 и 100 миллионами лет назад Хризалис вошла в хаотичную орбитальную зону, пережила ряд близких столкновений с Япетом и Титаном и, в конце концов, подошла слишком близко к Сатурну в скользящем столкновении, которое разорвало спутник на куски, оставив небольшую часть чтобы окружить планету кольцом, усеянным обломками.

Они обнаружили, что потеря Кризалиса объясняет прецессию Сатурна и его современный наклон, а также позднее формирование его колец.

«Это довольно хорошая история, но, как и любой другой результат, ее должны будут изучить другие», — говорит Уиздом. «Но похоже, что этот потерянный спутник был просто куколкой, ожидающей своей нестабильности».

Это исследование было частично поддержано НАСА и Национальным научным фондом.