Gretimos formacijos, „pagavimo“ scenarijai ir nuolaužų diskai, lemiantys natūralių palydovų ir žiedų sistemas
1. Mėnulių ir žiedų paplitimas
Planetinėse sistemose mėnuliai yra vieni ryškiausių požymių, kad planeta gravitaciškai veikia mažesnius kūnus. Mūsų Saulės sistemos milžinės (Jupiteris, Saturnas, Uranas, Neptūnas) kiekviena turi gausybę palydovų – dalis jų stambūs, panašaus dydžio į mažas planetas – taip pat išskirtines žiedų struktūras (ypač Saturno žiedus). Net ir Žemė turi gana didelį palydovą – Mėnulį, kuris, kaip manoma, susiformavo dėl milžiniško smūgio scenarijaus. Tuo tarpu kitos žvaigždės dažnai turi nuolaužų diskus, nurodančius, jog panašūs procesai, galintys sukurti žiedus ar mažesnius palydovus aplink egzoplanetas, vyksta ir ten. Suprasti, kaip palydovai ir žiedai formuojasi, evoliucionuoja ir sąveikauja su savo planetomis, būtina norint atskleisti galutinę planetų sistemų architektūrą.
2. Palydovų formavimosi keliai
2.1 Kartu formuojantis aplinkplanetiniuose diskuose
Milžinės planetos gali turėti aplinkplanetinius diskus – mažesnę žvaigždinio protoplanetinio disko analogiją, sudarytą iš dujų ir dulkių, besisukančių aplink besiformuojančią planetą. Tokia terpė gali gimdyti reguliariuosius palydovus procesais, primenančiais žvaigždžių formavimą mažesniu mastu:
- Akrecija: Kietosios dalelės planetos Hilo sferoje kaupiasi į planetesimales ar „mėnuliukus“ (moonlets), galiausiai augančius iki pilnaverčių mėnulių.
- Disko evoliucija: Aplinkplanetinio disko dujos gali slopinti chaotiškus judesius, sudarydamos stabilias orbitas ir suderinamas susidūrimais augančias sistemas.
- Tvarkingas orbitos plokštumas: Taip susidarę palydovai paprastai sukasi netoli planetos ekvatorinės plokštumos ir progradinėmis orbitomis.
Mūsų sistemoje, stambieji Jupiterio palydovai (Galilėjaus palydovai) ir Saturno Titano atvejis, kaip manoma, susidarė aplinkplanetinių diskų būdu. Tokie vienalaikiai (co-formed) mėnuliai dažnai būna rezonuojančiose orbitose (pvz., Io–Europa–Ganimedo 4:2:1 rezonansas) [1], [2].
2.2 „Pagavimas“ ir kiti scenarijai
Ne visi mėnuliai atsiranda tuo pat metu – kai kuriuos, manoma, planeta „pagavo“:
- Nereguliarūs palydovai: Dauguma tolimųjų Jupiterio, Saturno, Urano, Neptūno palydovų turi ekscentriškas, retrogradines ar aukštai pasvirusias orbitas, būdingas pagavimo įvykiams. Jie gali būti planetesimalės, priartėjusios ir praradusios orbitalinę energiją dėl dujų pasipriešinimo ar daugiakūnio sąveikų.
- Didysis smūgis: Mūsų Mėnulis, tikėtina, atsirado, kai Marso dydžio protoplaneta (Teija) susidūrė su pradine Žeme, išmetant mantijos medžiagą, kuri susitelkė orbitoje. Tokie smūgiai gali formuoti stambų, vieną mėnulį, kurio dalis atitinka planetos mantijos sudėtį.
- Rošo riba ir suirimas: Kartais didesnis kūnas gali suirti, jei priartėja prie planetos arčiau nei Rošo riba. Dalis nuolaužų gali suformuoti žiedą arba stabilias orbitas, iš naujo susijungdamos į palydovus.
Tad realios planetinės sistemos dažnai turi ir reguliarių (kartu susiformavusių), ir nereguliarių (pagautų ar smūgio būdu atsiradusių) palydovų mišinį.
3. Žiedai: kilmė ir išlaikymas
3.1 Smulkių dalelių diskai prie Rošo ribos
Planetų žiedai – tokie kaip Saturno įspūdingi žiedai – yra iš dulkių ar ledo dalelių sudaryti diskai, esantys gana arti planetos. Pagrindinis žiedo formavimosi apribojimas yra Rošo riba, kurios viduje potvyninės jėgos neleidžia didesniam kūnui sutvirtėti, jei jis iš esmės yra skystas ar neturi pakankamos savistruktūros. Todėl žiedo dalelės išlieka atskiros, nesusijungdamos į mėnulį [3], [4].
3.2 Formavimosi mechanizmai
- Potvyninis suardymas: Priartėjęs asteroidas ar kometa, peržengusi planetos Rošo ribą, gali būti suardyta ir išbarstyta žiedo pavidalu.
- Susidūrimai ar smūgiai: Esant didžiuliam smūgiui į esamą palydovą, išmesta medžiaga gali išlikti orbitose, sudarydama žiedą.
- Kartu formavimasis: Išlikusi dalis protoplanetinio ar aplinkplanetinio disko medžiagos, nesusitelkusi į mėnulį, jei yra arti ar viduje Rošo ribos.
3.3 Žiedų kaip dinamiškų sistemų prigimtis
Žiedai nėra statiški. Susidūrimai tarp žiedo dalelių, rezonansai su palydovais bei nuolatinis dalelių slydimas į vidų ar išorę lemia žiedo struktūras. Saturno žieduose matomos banginės struktūros kyla dėl nedidelių vidinių ar išorinių mėnulių (pvz., Prometėjaus, Pandoros) poveikio. Ryškumas ir aiškios žiedų kraštinės atspindi gravitacinį skulptūrą, galbūt palaikomą laikino „mėnuliukų“ (propellers) susidarymo ir suirimo ciklų.
4. Pagrindiniai Saulės sistemos pavyzdžiai
4.1 Jupiterio palydovai
Galilėjaus palydovai (Io, Europa, Ganimedas, Kalista) tikriausiai susiformavo iš sub-disko aplink Jupiterį. Jų laipsniškas tankis ir sudėtis, susijusios su atstumu nuo planetos, primena sumodeliuotą „mažos saulės sistemos“ variantą. Be to, daug nereguliarių, toliau esančių palydovų, sukasi atsitiktinėmis plokštumomis ir dažnai retrogradiškai – rodo pagavimo įvykį.
4.2 Saturno žiedai ir Titanas
Saturnas – klasikinė žiedinės sistemos paradigma su plačiais, ryškiais pagrindiniais žiedais, taip pat tolimomis, retesnėmis „arkomis“ ir smulkiais žiedais. Didžiausias palydovas Titanas formavosi ko-akrecijos būdu, kaip manoma, o kiti reguliarieji palydovai (Rėja, Japetas) irgi sukasi ekvatorinėmis orbitomis. Maži netaisyklingi palydovai išorėje tikriausiai pagauti. Saturno žiedams prognozuojamas palyginti jaunas amžius (<100 mln. metų) – galėjo susidaryti suirus nedideliam ledo mėnuliui [5], [6].
4.3 Uranas, Neptūnas ir jų palydovai
Uranas turi unikalų ~98° posvyrį, galbūt iš didelio smūgio. Stambieji jo palydovai (Miranda, Ariel, Umbriel, Titanija, Oberonas) sukasi beveik ekvatorinėse orbitose – rodo kartu formavimąsi. Uranas taip pat turi silpnus žiedus. Neptūnas išsiskiria pagavęs Tritoną su retrogradine orbita – manoma, kad tai Koiperio juostos kūnas, „pavogtas“ Neptūno gravitacijos. Neptūno žiedai (arkos) yra trumpaamžiai dariniai, galimai palaikomi nedidelių „ganytojų“ palydovų.
4.4 Terestrinių planetų palydovai
- Žemės Mėnulis: Pagrindinis modelis – didysis smūgis, išmušęs Žemės mantijos medžiagą į orbitą, kurioje susitelkė Mėnulis.
- Marso mėnuliai (Fobas, Deimas): Veikiausiai pagauti asteroidai arba susidarę iš ankstyvo smūgio nuolaužų. Jų mažumas, netaisyklingos formos rodo „pagavimo“ kilmę.
- Nėra mėnulių: Venera ir Merkurijus neturi natūralių palydovų, greičiausiai dėl formavimosi sąlygų ar vėlesnio dinaminio „išvalymo“.
5. Egzoplanetinis kontekstas
5.1 Aplinkplanetinių diskų stebėjimas
Egzoplanetų aplinkplanetinių diskų tiesioginis aptikimas dar labai sudėtingas, bet jau turime kelių pavyzdžių (pvz., aplink PDS 70b). Stebint galimus darinius, panašius į Saturno žiedus ar Jovio subdiskus, išdėstytus dešimčių AV nuo žvaigždės, galima patvirtinti, kad palydovų ko-formavimosi procesai yra universalūs [7], [8].
5.2 Egzomėnuliai
Egzomėnulio nustatymas vis dar pačioje pradžioje, turime vos keletą kandidatų (pvz., galbūt Neptūno dydžio „egzomėnulis“ apie super-Jupiterį Kepler-1625b sistemoje). Jei patvirtinsime tokį stambų egzomėnulį, jis galėjo susidaryti sub-diske arba pagautas. Daug dažnesni, veikiausiai, mažesni mėnuliai, kol kas sunkiau aptinkami. Ateityje patobulėjus tranzitiniams metodams ar tiesioginiam vaizdavimui atsivers galimybės pamatyti daugiau egzomėnulių.
5.3 Žiedai egzoplanetų sistemose
Egzoplanetų žiedų sistemas teoriškai galima atpažinti iš tranzitų šviesos kreivių, parodančių kelis panirimo požymius ar pailgėjusius įėjimus/išėjimus. Yra spėjamas pavyzdys – J1407b – turintis milžinišką žiedų sistemą, jei patvirtinamas. Jei pavyktų patvirtinti žiedų struktūras egzoplanetose, tai labiau įtvirtintų bendrą žiedų kilmės mechanizmų validumą – potvyninį suirimą ar likutinį subdisko medžiagos buvimą.
6. Palydovų sistemų dinamika
6.1 Potvyninė evoliucija ir sinchronizacija
Kai susiformuoja, mėnuliai patiria potvynines sąveikas su savo planeta, dėl to dažnai pereina į sinchroninę sukimąsi (kaip Mėnulis Žemei, nuolat rodantis tą pačią pusę). Potvyninis išsisklaidymas gali kelti orbitos plėtimąsi (kaip Mėnulio nutolimas nuo Žemės ~3,8 cm/metus) ar artėjimą, jei pirminis sukimasis vyksta lėčiau nei palydovo orbitinis judėjimas.
6.2 Orbitiniai rezonansai
Daugelyje daugelio palydovų sistemų būdingos vidutinio judėjimo rezoncijos, pvz., Io–Europa–Ganimedo 4:2:1. Tai veikia potvyninį šildymą (Io vulkanizmą, gal poledinį vandenyną Europoje). Šios rezonansinės sąveikos lemia ekscentricitetų ir inkliucijų išlaikymą, kas skatina geologinį aktyvumą santykinai mažuose kūnuose.
6.3 Žiedų ir palydovų tarpusavio sąveika
Planetiniai žiedai gali turėti nedidelius „ganytojus“ palydovus, kurie užlaiko žiedo kraštus, sudaro tarpus ar palaiko žiedo lanko struktūras. Laikui bėgant, mikrometeoritų bombardavimas, susidūrimai, balistinis medžiagos pernašas keičia žiedo daleles. Didesnės sankaupos gali trumpam suformuoti mini mėnuliukus („propellers“), matomus Saturno žieduose kaip lokalias susitelkimo struktūras.
7. Rošo riba ir žiedo stabilumas
7.1 Potvyninės jėgos vs savoji gravitacija
Kūnui, esančiam arčiau planetos nei Rošo riba, potvyninės jėgos gali viršyti jo savąją gravitaciją (ypač jei jis skystas ar netvirtos sandaros). Tvirti kūnai gali išsilaikyti šiek tiek giliau, bet ledo/neišsigarinti kūnai gali suirti:
- Palydovai, artėjantys prie planetos (dėl potvyninių sąveikų), peržengę Rošo ribą, gali suirti į nuolaužas ir suformuoti žiedus.
- Tarpo žiedo susidarymas: Potvyninis suirimas gali palikti medžiagą stabiliose orbitose, sukurdamas ilgalaikį žiedą, jei susidūrimai ar dinaminiai procesai jį palaiko.
7.2 Ar pastebėtas suirusio mėnulio atvejis?
Saturno žieduose slypi pakankamai masės, kad galėtų atitikti suirusio ledo palydovo likučius arba išlikusią sub-disko medžiagą. Naujausi Cassini duomenų analizė rodo, jog žiedai galėjo susidaryti santykinai neseniai (gal <100 mln. metų), jei vertiname žiedų optinį tankį. Rošo riba iš esmės apibrėžia svarbiausią atskaitos tašką, sprendžiant apie žiedų ir palydovų stabilumą.
8. Mėnulių, žiedų ir visos planetų sistemos evoliucija
8.1 Įtaka planetos gyvybingumui
Dideli mėnuliai gali stabilizuoti planetos ašies posvyrį (kaip Mėnulis Žemėje), mažindami klimato svyravimus per geologinius laikotarpius. Tuo tarpu žiedų sistemos gali būti trumpalaikės, arba žiedas gali būti tarpinis etapas formuojant palydovą ar jį suardant. Egzoplanetoms gyvenamojoje zonoje, dideli egzomėnuliai taip pat gali būti galimai gyvybingi, jei sąlygos leidžia.
8.2 Ryšys su planetos formavimu
Reguliarūs palydovai suteikia informacijos apie planetos formavimo aplinką – aplinkplanetinius diskus su protoplanetinio disko cheminiais ženklais. Mėnuliai gali išlaikyti orbitas, liudijančias milžinių planetų migraciją ar susidūrimus. Nereguliarūs palydovai parodo vėlesnį „pagavimą“ ar planetesimalių išsklaidymą iš išorinių sričių.
8.3 Didelio masto architektūra ir nuolaužos
Mėnuliai ar žiedai gali papildomai tvarkyti planetesimalių populiacijas, „įkalindami“ ar išsklaidydami juos rezonansais. Sąveikos tarp milžinės planetos palydovų, žiedų ir likusių planetesimalių gali paskatinti tolesnį išsklaidymą, galutiniame rezultate paveikdamos visos sistemos stabilumą ir mažų kūnų juostų išsidėstymą.
9. Būsimieji tyrimai ir misijos
9.1 Vietiniai tyrimai mėnuliuose ir žieduose
- Europa Clipper (NASA) ir JUICE (ESA) tyrinės Jupiterio ledinius palydovus, nagrinėdamos požeminius vandenynus ir jų ko-formavimo paslaptis.
- Dragonfly (NASA) skris į Saturno Titaną, tyrinėdama metano ciklą, primenantį Žemės vandens ciklą.
- Būsimose misijose į Uraną ar Neptūną galėtume išsiaiškinti, kaip susidarė ledo milžinių palydovai ir išsilaiko žiedų lankai.
9.2 Egzomėnulių paieška ir tyrimai
Ateityje vykdomos plataus masto tranzitų ar tiesioginio vaizdavimo kampanijos galėtų pastebėti menkus egzomėnulius per subtilius tranzito laiko kitimus (TTV) ar tiesioginį infraraudonųjų spindulių vaizdavimą plačiose orbitose. Daugiau egzomėnulių radimas patvirtintų, kad procesai, sukūrę Jupiterio palydovus ar Saturno Titaną, būdingi visatai.
9.3 Teorinis progresas
Patobulinti diskų-subdiskų sąveikos modeliai, geresnės žiedų dinamikos simuliacijos bei naujos kartos HPC (aukšto našumo skaičiavimai) gali suvienyti mėnulių formavimosi scenarijus su planetos akrecijos keliu. Suprasti MHD turbulencijos, dulkių evoliucijos ir Rošo ribos reikalavimus yra kritiška, norint numatyti žiedais apgaubtas egzoplanetas, masyvias submėnulio sistemas ar trumpalaikes dulkių struktūras naujai gimstančiose planetų sistemose.
10. Išvada
Mėnuliai ir žiedų sistemos natūraliai iškyla planetų formavimosi procese, pasižymėdami keletu formavimosi būdų:
- Kartu formuojantys aplinkplanetiniuose subdiskuose reguliarūs palydovai, išlaikantys ekvatorines progradines orbitas.
- Pagavimas – nereguliarieji palydovai ekscentriškomis ar pasvirusiomis orbitomis, kartais ir retrogradinėmis, arba pagautos netikros planetesimalės.
- Didysis smūgis – sukuriant stambų, pavienį mėnulį, kaip Žemės Mėnulis, arba žiedus, jei medžiaga patenka žemiau Rošo ribos.
- Žiedai, susidarantys dėl potvyninio sunaikinimo artimoje orbitoje ar išlikusios subdiskinės medžiagos, neperėjusių į palydovą.
Šie mažesnio masto orbitaliniai dariniai – mėnuliai ir žiedai – yra svarbios planetų sistemų dalys, išryškinančios planetų formavimosi laiko intervalus, aplinkos sąlygas bei vėlesnę dinaminę raidą. Nuo Saturno ryškiųjų žiedų iki Neptūno pagautojo Tritono, mūsų Saulės sistema rodo įvairius veikiančius procesus. O pažvelgę į egzoplanetų pasaulius, rasime tuos pačius fizikos dėsnius, galimai kuriančius žieduotas milžines, daugiapalydovines sistemas ar trumpalaikes dulkių lanko struktūras kitose žvaigždėse.
Tęsdami misijas, ateities tiesioginius vaizdavimus ir pažangias simuliacijas, mokslininkai tikisi atskleisti, kokiu mastu šie palydovų ir žiedų reiškiniai yra visuotini – ir kaip jie formuoja trumpalaikę bei ilgalaikę planetų likimą per visą Galaktiką.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Canup, R. M., & Ward, W. R. (2006). “A common mass scaling for satellite systems of gaseous planets.” Nature, 441, 834–839.
- Mosqueira, I., & Estrada, P. R. (2003). “Formation of the regular satellites of giant planets in an extended gaseous nebula I: subnebula model and accretion of satellites.” Icarus, 163, 198–231.
- Charnoz, S., et al. (2010). “Did Saturn’s rings form during the Late Heavy Bombardment?” Icarus, 210, 635–643.
- Cuzzi, J. N., & Estrada, P. R. (1998). “Compositional Evolution of Saturn’s Rings Due to Meteoroid Bombardment.” Icarus, 132, 1–35.
- Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). “Making the Moon from a fast-spinning Earth: A giant impact followed by resonant despinning.” Science, 338, 1047–1052.
- Showalter, M. R., & Lissauer, J. J. (2006). “The Second Ring-Moon System of Uranus: Discovery and Dynamics.” Science, 311, 973–977.
- Benisty, M., et al. (2021). “A Circumplanetary Disk around PDS 70c.” The Astrophysical Journal Letters, 916, L2.
- Teachey, A., & Kipping, D. M. (2018). “Evidence for a large exomoon orbiting Kepler-1625b.” Science Advances, 4, eaav1784.