Trots att vårt solsystem gasgiganter varierar mycket i storlek och massa, har de något gemensamt. I takt med att dessa månar blev större, saktade resterna av gasen ner och de föll in i planeten för att konsumeras. Månarna vi ser idag var de sista som bildades runt sina föräldrarplaneter, efter att gasen hade sänkt ut.
Var och en av våra solsystemets yttre gasplaneter är värd för ett system med flera satelliter, och dessa objekt inkluderar Jupiters vulkaniska Io och Europa med dess trodda underjordiska hav, samt Titan med sin täta och organiska rika atmosfär i Saturnus. Medan enskilda satellitegenskaper varierar, delar systemen alla en slående likhet: den totala massan för varje satellitsystem jämfört med massan på värdplaneten är nästan ett konstant förhållande, ungefär 1: 10.000.
Forskning från forskare vid Southwest Research Institute, publicerad i 15 juni-numret av Nature, föreslår en förklaring till varför de gasformiga planeterna visar denna konsistens, och varför gasplaneternas satelliter är så mycket mindre jämfört med deras planet än de viktigaste satelliterna i solida planeter.
Jupiters fyra galileiska satelliter är var och en ungefär lika stora, medan Saturnus har en stor satellit tillsammans med många mycket mindre satelliter. Trots detta är den totala massan i båda satellitsystemen ungefär en hundreledel av en procent (0,0001) av respektive planetens massa. Den uranska satellitsystemstrukturen liknar Jupiters struktur och uppvisar också samma massförhållande. Däremot innehåller de stora satelliterna av solida planeter mycket större fraktioner av deras planetmassor, där månen innehåller 1 procent (0,01) av jordens massa, och Plutos satellit, Charon, som innehåller mer än 10 procent (0,1) av dess massa.
Varför har gasplaneterna, var och en med unika egna formationshistorier, satellitsystem som innehåller en jämn bråkdel av varje planets massa, och varför är denna bråk så liten jämfört med solida planetsatelliter? Dr. Robin Canup och Dr. William Ward från SwRI Space Studies Department föreslår att det var närvaron av gas, främst väte, under bildandet av dessa satelliter som begränsade deras tillväxt och valde ut för en gemensam massfraktion av satellitsystemet.
När gasplaneterna bildades samlade de vätgas och fasta ämnen som sten och is. Det sista steget i en gasplanetes bildning antas involvera ett inflöde av både gas och fasta ämnen från solbana till planetbanan, vilket producerar en skiva med gas och fasta ämnen som kretsar runt planeten i dess ekvatorplan. Det är inom den disken som satelliterna tros ha bildats.
Canup och Ward ansåg att en växande satellits tyngdkraft inducerar spiralvågor i en omgivande gasskiva, och att gravitationsinteraktioner mellan dessa vågor och satelliten får satellitens bana att dras in. Denna effekt blir starkare när en satellit växer, så att ju större en satellit blir, desto snabbare blir dess bana spiraler inåt mot planeten. Teamet föreslår att balansen mellan två processer - det pågående inflödet av material till satelliterna under deras tillväxt och förlusten av satelliter till kollision med planeten - innebär en maximal storlek för en gasplanet-satellit i överensstämmelse med observationer.
Genom att använda både numeriska simuleringar och analytiska uppskattningar av tillväxten och förlusten av satelliter, visar teamet att flera generationer av satelliter var troliga, med dagens satelliter som den sista överlevande generationen som bildades när planetens tillväxt upphörde och gasskivan försvann. Canup och Ward visar att under flera cykler av satellittillväxt och -förlust, den bråkdel av planetmassan som finns i dess satelliter vid en viss tidpunkt bibehåller ett värde som inte är så mycket annorlunda än 0,0001 över ett brett spektrum av modellparameterval.
Teamets direkta simuleringar är också de första som producerar satellitsystem som liknar Jupiter, Saturnus och Uranus när det gäller antalet satelliter, deras största massor och mellanrummen på de stora satellitbanorna.
"Vi tror att våra resultat är ett starkt fall att satellitsystemen för Jupiter och Saturn bildades inom skivor som producerats när planeten själv befann sig i sina slutliga tillväxtstadier," säger Canup. "Uraniska satellitsystemets ursprung är emellertid mer osäker, och sannolikheten för att våra resultat är tillämpliga på den planeten beror på hur Uranus uppnådde sin nästan 98-graders axiella lutning, som är ett ämne för aktiv studie."
För extrasolära system tyder denna forskning på att de största satelliterna på en Jupiter-massaplanet skulle vara mån-till-Mars-storlek, så att Jovian-storlek exoplaneter inte skulle förväntas vara värd för satelliter så stora som jorden. Detta är relevant för satelliternas möjliga livsmiljö i extrasolära system.
NASA: s program för planeterisk geologi och geofysik och yttre planeter finansierade denna forskning. Artikeln, "En vanlig massskalning för satellitsystem med gasformiga planeter," av Canup och Ward, visas i 15 juni-numret av Nature.
Originalkälla: SwRI News Release
