Как Юпитер сформировал больше крупных спутников, чем Сатурн

Две самые большие планеты в нашей Солнечной системе, Юпитер и Сатурн, также имеют самые большие системы спутников, то есть наибольшее количество лун. В настоящее время известно о более чем 100 спутниках Юпитера, а у Сатурна, помимо многочисленных колец, насчитывается более 280 спутников. Однако не все они одинаковы. В семействе спутников Юпитера четыре крупных объекта, в том числе самый большой спутник Солнечной системы — Ганимед. В семействе спутников Сатурна доминирует один крупный объект — Титан, второй по величине спутник Солнечной системы.

Переосмысление процесса формирования гигантских спутников

Поскольку обе планеты являются газовыми гигантами, причины различий в этих спутниковых системах долгое время ставили астрономов в тупик. Теории формирования спутников предлагали несколько возможных вариантов, но недавние исследования магнитных полей звезд намекнули на необходимость переосмысления этих теорий.

Также ведутся давние споры о магнитной аккреции и формировании спутников. В частности, о том, может ли в околопланетном диске Юпитера образоваться внутренняя полость — скопление материала, вращающегося вокруг планеты, из которого могут формироваться спутники.

Создание единой модели спутников

Физически непротиворечивая модель, способная объяснить устройство нескольких систем, таких как системы спутников Юпитера и Сатурна, может быть применима и к другим планетарным и спутниковым системам за пределами Солнечной системы. Это побудило группу исследователей из Японии и Китая, в том числе из Киотского университета, разработать такую модель.

«Проверить теорию формирования планет довольно сложно, потому что у нас есть только наша Солнечная система для сравнения, но рядом с нами есть множество спутниковых систем, подробные характеристики которых мы можем наблюдать», — говорит первый автор исследования Юрий И. Фуджи.

Моделирование внутреннего строения молодых газовых гигантов

Чтобы понять, как менялась температура Юпитера и Сатурна и как со временем менялись их магнитные поля, команда провела численное моделирование внутреннего строения молодых газовых гигантов.

Команда также провела численное моделирование околопланетных дисков обеих планет и выполнила моделирование методом N-тел, чтобы проследить за формированием спутников и их миграцией по орбитам, используя кластер персональных компьютеров в Центре вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии.

Магнитные поля формируют системы спутников

Результаты показали, что различия между крупными системами спутников Юпитера и Сатурна можно объяснить разной структурой их дисков, обусловленной силой их магнитных полей.

В частности, сильное магнитное поле Юпитера привело к образованию магнитосферной полости в околопланетном диске вокруг молодого газового гиганта, в которую, вероятно, попали спутники Ио, Европа и Ганимед. Магнитное поле молодого Сатурна было слишком слабым, чтобы образовать полость, поэтому мигрирующие спутники не смогли выжить в диске.

В ожидании открытия экзолун

Это исследование закладывает основу для будущих наблюдений за экзолунами и околопланетными дисками вокруг газовых гигантов. Согласно модели команды, газовые гиганты размером с Юпитер или больше будут формировать компактные системы с несколькими спутниками, в то время как вокруг газовых планет размером с Сатурн будут формироваться один или два спутника.

В дальнейшем команда планирует распространить свою теорию на другие спутники и потенциальные системы экзолун.

На изображении:

Художественное представление результатов моделирования, проведенного в рамках этого исследования. Юпитер (внизу слева) обладает сильным магнитным полем, которое создает полость в его околопланетном диске. У Сатурна (вверху справа) нет сильного магнитного поля, поэтому его околопланетный диск формируется без полости.