Как образовались галилеевы спутники Юпитера? Ученые изучают теории формирования спутников

Мы уже знаем довольно много о том, как формируются планеты, но формирование спутников — это совершенно другой процесс, с которым мы не так хорошо знакомы. Ученые считают, что понимают, как сформировался самый важный спутник в нашей Солнечной системе (Луна), но ее бурное рождение не является нормой и не может объяснить формирование более крупных систем, таких как галилеевы спутники Юпитера. В новой главе книги, которая также была опубликована Юхито Сибаике и Яном Алибером из Бернского университета, рассматриваются различные теории формирования крупных систем спутников, особенно галилеевых, и то, как мы, возможно, однажды сможем их различать.

Галилеевы спутники образуют так называемый околоюпитерианский диск (ОЮД), аналог околозвёздного диска (ОЗД), который окружает Солнце, но в центре которого находится Юпитер. Остальные 93+ негалилеевых спутника Юпитера также образуют ОЮД, но их формирование могло происходить иначе из-за разницы в размерах.

Согласно статье, между формированием планет и формированием спутников есть три основных различия. Формирование спутников происходит гораздо быстрее — примерно в 10–100 раз быстрее, чем формирование планет. Сама система постоянно получает дополнительный материал из протопланетного диска и теряет его из-за того, что находится в центре диска.

И наконец, примеров систем с несколькими крупными спутниками гораздо меньше, чем примеров планетных систем, по крайней мере с тех пор, как 30 лет назад были открыты экзопланеты. Юпитер и Сатурн остаются единственными примерами систем с крупными спутниками, и пройдёт ещё немало времени, прежде чем будет обнаружена система с несколькими экзоспутниками.

Фрейзер рассказывает о формировании нашей Луны, которое кардинально отличалось от формирования галилеевых спутников.

Итак, что мы можем сказать о формировании этих лунных систем на основе двух известных нам примеров? В статье процесс делится на три этапа. Первый этап — формирование протопланетного диска, который включает в себя газ, пыль и спутники. Изначально это подтверждалось «моделью минимальной массы», разработанной в 1980-х годах, которая предполагала, что диск был статичным и содержал примерно всю массу галилеевых спутников. В 2002 году была разработана новая теория, согласно которой протопланетный диск представляет собой «диск с дефицитом газа», то есть изначально протопланетный диск был относительно беден материалом, но в результате гравитационного захвата из протопланетного диска в него попало много дополнительного материала.

Считается, что гравитационный захват сыграл ключевую роль в формировании галилеевых спутников Юпитера и стал вторым этапом их создания. Однако Юпитер — это планета, а одно из требований к планете заключается в том, что она расчищает свой орбитальный путь. Поскольку Юпитер — самая большая планета, он делает это очень эффективно, в том числе с помощью того, что астрономы называют «камешками».

Один из способов, с помощью которого спутники могут аккрецироваться в условиях дефицита мелкого материала, заключается в использовании ещё более мелкого материала. Мелкие частицы пыли могут попасть в область ОЮД, не будучи разрушенными Юпитером, хотя ведутся споры о том, насколько эффективен этот процесс. Другим методом может быть «захват планетезималей», когда гравитационный колодец Юпитера захватывает ядро того, что могло бы стать планетой, но в итоге становится одним из спутников гигантской планеты. Возможно, они подверглись гравитационному воздействию Сатурна, а затем замедлили своё движение по орбите, проходя через газовое облако, окружавшее ранний Юпитер и составлявшее ОЮД.

Фрейзер более подробно рассказывает о миссиях по исследованию спутников Юпитера.

Сами галилеевы спутники Юпитера имеют некоторые различия, которые можно использовать для подтверждения или опровержения этих теорий формирования. Например, Каллисто вообще не находится в резонансе с Юпитером, в отличие от остальных галилеевых спутников.

Одна из возможных теорий заключается в том, что четвёртый спутник Юпитера сформировался в других условиях или, возможно, столкнулся с другим небесным телом, которое сбило его с естественного курса. Каллисто снова выбивается из общей картины, поскольку он лишь частично «дифференцирован» (то есть у него есть отдельное ядро, мантия и внешняя оболочка), в отличие от трёх своих собратьев. Согласно некоторым моделям аккреции из обломков, Каллисто всё ещё находится на ранней стадии формирования и со временем начнёт больше походить на своих собратьев.

Но в конечном счёте на эти и многие другие вопросы о формировании крупных лунных систем будет сложно ответить без дополнительных данных. Миссия Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) поможет пролить свет на эти вопросы, но даже в этом случае у нас будет только один или максимум два набора данных.

До тех пор, пока телескопы для поиска экзопланет не станут достаточно мощными, чтобы находить экзоспутники так же часто, как сейчас находят планеты, многие из этих теорий формирования останутся непроверенными. Когда-нибудь эти данные появятся, и тогда они помогут нам лучше понять некоторые важные аспекты нашей собственной Солнечной системы.

Источник: Universe Today

На изображении:

Изображение магнитосферы Ганимеда, созданное художником. Источник: NASA, ESA и Дж. Бэкон (STScI); научное изображение: NASA, ESA и Й. Заур (Кёльнский университет, Германия)