Используя идеи, полученные из изучения экзопланет, астрономы разработали новую теорию, которая объясняет формирование всех Галилеевых спутников Юпитера. Затем команда под руководством Константина Батыгина из Калифорнийского технологического института предложила использовать теорию для создания компьютерного моделирования, имитирующего формирование лун. По меньшей мере,результаты были многообещающими.
Как рассказывает Батыгин, моделирование включало один прогон, который был настолько близок к реальности, что ему «пришлось сделать двойной дубль». Это было так ужасно, говорит он: «Я убежал, чтобы успокоиться. Вернулся. И снова посмотрел на это».
Исследователи рассказывают историю о том, как спутники Юпитера строились один за другим из крошечных пятен ледяной пыли, оставшихся от первоначального формирования Солнечной системы. Когда спутник становился достаточно большим, он мигрировал внутрь, и оказывался на часовой орбите.
Предыдущие попытки понять происхождение планет и лун были приспособлены для объяснения нашей собственной Солнечной системы. Но эти теории не сработали, когда мы попытались применить их к головокружительному множеству экзопланетных систем, обнаруженных за последние несколько десятков лет.
«Революция экзопланет за последние два десятилетия полностью переписала историю формирования планет», - говорит Батыгин. Он сравнивает это с тем, чтобы стать мастером каратэ, но затем выйти из своего додзё и узнать о многих других боевых искусствах, практикуемых по всему миру. Итак, основываясь на самых современных данных экзопланет, Батыгин считает, что пришло время переписать наше понимание того, как создаются луны. «На сегодняшний день лучшая модель формирования спутника – это два десятилетия назад, и с тех пор дела развиваются», - говорит он. «Вопрос о котором мы очень мало знаем – почему ледяные луны существуют».
Создание луны Юпитера
Чтобы пролить свет на тайну спутников, Батыгин вместе с Алессандро Морбиделли намеревались объяснить, как самая большая планета нашей солнечной системы – Юпитер – получила свои спутники. Их новая теория рисует картину молодого Юпитера, окруженного протяженным газовым диском, называемым околопланетным диском.
По словам Батыгина, материал, циркулирующий в Солнечной системе в ее ранние годы, служил «ловушкой для пыли», которая и захватила крошечные частицы ледяного вещества (шириной около 0,4 дюйма или 10 миллиметров). Со временем количество ледяной пыли в диске продолжало расти, приводя к все большему количеству столкновений и слияний между частицами. В конце концов, начали формироваться бесчисленные «спутники» – тела шириной около 62 миль (100 километров). Затем эти тела продолжали слипаться, пока не превратились в зародыш полноценной луны.
Когда первый растущий спутник вращался внутри пыльного диска, он оставил на своем пути спиральный след. Этим следом, а также повышенным сопротивлением оставшегося газа в диске, неуклонно притягивалась луна к Юпитеру. В конце концов, новорожденная луна достигла внутреннего края диска, вышла из зоны и остановила свой «миграционный путь» внутри.
Далее процесс повторяется, что и приводит к последовательному созданию четырех Галилеевых спутников Юпитера. По словам Батыгина, самые глубокие спутники Юпитера – Ио и Европа соответственно – сформировались всего за 6000 лет. Ганимед, следующий ближайший, формировался около 30 000 лет.
Однако, согласно теории, к тому времени, когда ледяной Каллисто начал объединяться, усиливающееся Солнце испарило большую часть газа, который первоначально находился в диске Юпитера. Таким образом, хотя Каллисто достиг примерно половины своей окончательной массы всего за 50 000 лет, потребовалось почти 9 миллионов лет, чтобы накопить остаток.
То же самое, но другое
Хотя элементы этой теории были предложены ранее, Батыгин говорит, что их версия включает в себя новое понимание того, как работает пылеуловитель. Как они утверждают, это решает давнюю трудность учета всех, а не только некоторых вопросов, необходимых для формирования Галилеевых лун, которые мы видим сегодня. Теория также объясняет, как орбиты Ио, Европы и Ганимеда развили свой поразительный орбитальный резонанс, который очаровывал ученых на протяжении веков.
За каждую отдельную орбиту, которую совершает внешний Ганимед, Европа делает два, а самый внутренний спутник Ио делает четыре – возвращаясь к своей начальной настройке каждые 172 часа. Согласно Батыгину, их новая теория объясняет, как отношения могли развиваться стабильно: Европа сначала фиксирует паттерн с Ио, затем Ганимед позже синхронизируется с Европой. Хотя команда работает над теорией с 2018 года, лишь в прошлом году наблюдения подтвердили их логику и расчеты.
В 2019 году астрономы, наблюдавшие за системой PDS 70, расположенной на расстоянии около 370 световых лет, обнаружили первый пример лунообразующего диска, вращающегося вокруг экзопланеты. И, как говорит Батыгин, - «Это было намного грязнее, чем кто-либо мог предположить». Теория была подкреплена дополнительными наблюдениями в 2019 году, которые показали признаки газа, циркулирующего через систему HD 163296, во многом как предсказывает новая модель.
Поиск экзопланет – это не просто поиск инопланетян. Еще одним важным мотивом является то, что изучение отдаленных миров может многое рассказать о нашей собственной Солнечной системе, а также и о самой Земле. Например, Мики Накадзима, доцент в Университете Рочестера, рассказывает, что понимание экзопланет также вдохновило хорошо известное предсказание Батыгиным Девятой планеты, гипотетической суперземли, скрывающейся во внешней Солнечной системе.
«Наблюдения за системами экзопланет дали возможность наблюдать за событиями, которые, вероятно, происходили в Солнечной системе в прошлом», - говорит она, отмечая, что это побуждает ученых исследовать новые механизмы формирования. «Одна из новых частей этой работы – предоставить полную историю лун», - говорит Накадзима.
Джонатан Лунин, ученый-планетолог из Корнелльского университета, который выдвинул одну из более ранних влиятельных моделей того, как могли образовываться спутники Юпитера, говорит, что ему интересно узнать больше о формировании Ганимеда и Каллисто.
Хотя эти две луны похожи по размеру, они имеют разную геологическую историю. Лунин говорит, что в будущих миссиях на спутники могут быть проведены более подробные измерения их гравитационных полей, чтобы узнать больше об их внутренностях и сделать представление о различиях между ними.
Расширение модели зарождения лун
Хотя новое исследование сосредоточено именно на изложении истории ледяных лун Юпитера, Батыгин полагает, что его концепции могут также относиться к Сатурну, а также к отдаленным экзопланетам газового гиганта. Накадзима, со своей стороны, говорит, что ей очень хотелось бы увидеть, как симуляции воспроизводят образование спутников Сатурна.
И хотя дальнейшее развитие нашего понимания происхождения ледяных лун Солнечной системы может привести ко многим интересным направлениям, Батыгин говорит, что это особенно интригует из-за их потенциала – хотя и маловероятного – проведения внеземной жизни. Батыгин говорит, что новые теории и запланированные миссии к самому большому лунному спутнику Сатурна – Титану – раскроют много неожиданных и захватывающих идей, которые помогут продвинуться вперед. «С точки зрения того, что мы узнаем в течение следующего десятилетия», – говорит он, –«Ледяные луны окажутся в удивительно четком фокусе».
