Кольцевая система Сатурна могла возникнуть от столкновения двух протоспутников

Фото из открытых источников

В статье, принятой к публикации в журнале Planetary Science Journal и размещенной на сервере препринтов arXiv, ученые из Института SETI, Юго-западного исследовательского института, Калифорнийского технологического института и Парижской обсерватории утверждают, что два спутника Сатурна, Титан и Гиперион, не являются первобытными мирами, а образовались в результате драматического слияния двух древних спутников. Эти выводы могут переписать теории о происхождении плотной атмосферы Титана и даже помочь объяснить происхождение знаменитой кольцевой системы Сатурна.

В своей статье ученый из Института SETI Матия Чук и его коллеги представляют новую модель недавней динамической эволюции системы спутников Сатурна.

«Это обусловлено очевидной молодостью колец Сатурна, очевидной динамической молодостью внутренних спутников среднего размера, наблюдаемой быстрой приливной миграцией Титана, быстрым затуханием наклона и эксцентриситета Титана, а также тем фактом, что Сатурн, по-видимому, недавно вышел из предполагаемого прошлого спин-орбитального резонанса с планетами», — заявили они.

Авторы утверждают, что Гиперион — небольшой спутник неправильной формы, находящийся в орбитальном резонансе 4:3 с Титаном, — намного моложе, чем считалось ранее.

Современная вытянутая орбита Титана указывает на то, что с момента возникновения резонанса между двумя небесными телами он сместился наружу примерно на 4-5%.

По мнению исследователей, этот резонанс, вероятно, сформировался всего 400–500 миллионов лет назад.

Чтобы объяснить кажущуюся молодость Гипериона, исследователи предлагают сценарий, согласно которому между Титаном и Япетом когда-то вращался ещё один спутник среднего размера, получивший название прото-Гиперион.

По мере расширения орбиты Титана система дестабилизировалась; протогиперион был выброшен на хаотическую траекторию и в конечном итоге столкнулся с Титаном.

Слияние нарушило бы давний спин-орбитальный резонанс между Сатурном и планетами, изменив наклон оси вращения планеты с кольцами.

В то же время обломки от удара могли скопиться в современный Гиперион, низкая плотность и высокая пористость которого указывают на структуру, состоящую скорее из груды обломков, чем из первобытного, неповрежденного тела.

Проведенные командой численные модели показывают, что столкновения между Титаном и гипотетическим спутником происходят часто в таких условиях.

Во многих экспериментах Япет приобретал наклоны орбиты и эксцентриситеты, аналогичные наблюдаемым сегодня, что согласуется с гравитационными возмущениями во время нестабильности.

Результаты моделирования также показывают, что во время слияния орбита Титана, как правило, резко сместится наружу, что позволит возобновиться его продолжающейся приливной миграции, потенциально обусловленной резонансными взаимодействиями внутри Сатурна.

Нестабильность, возможно, не ограничивалась внешней частью Сатурнианской системы.

Ученые утверждают, что эксцентричный Титан, возбужденный во время этого события, мог дестабилизировать внутренние спутники Сатурна посредством резонансных взаимодействий.

Столкновения и повторная аккреция между этими спутниками, возможно, породили материал, из которого сформировалась нынешняя система колец.

Ранее независимые источники данных указывали на относительно молодой возраст колец Сатурна — возможно, несколько сотен миллионов лет — исходя из их массы, состава и взаимодействия с близлежащими спутниками.

Новая модель связывает эти хронологические события с тем же эпизодом, в результате которого образовался Гиперион и произошли изменения во внешней части галактики.

«Гиперион, самый маленький из главных спутников Сатурна, дал нам важнейшую подсказку об истории системы», — сказал Чук. «В симуляциях, в которых дополнительная луна становилась нестабильной, Гиперион часто терялся и выживал лишь в редких случаях. Мы осознали, что соединение Титана и Гипериона относительно молодое, ему всего несколько сотен миллионов лет. Это относится примерно к тому же периоду, когда исчезла дополнительная луна. Возможно, Гиперион не пережил эти потрясения, а стал их следствием. Если бы этот дополнительный спутник слился с Титаном, он, вероятно, образовал бы фрагменты вблизи орбиты Титана. Именно там и образовался бы Гиперион».

Авторы также пересматривают историю Реи, чья быстрая миграция наружу предполагает, что она пересекла так называемый резонанс эвекции с Солнцем в течение последних нескольких сотен миллионов лет.

Подобные динамические маркеры больше соответствуют системе, которая недавно претерпела крупномасштабную перестройку, чем той, которая оставалась неизменной на протяжении миллиардов лет.

«Хотя описанные здесь события произошли сотни миллионов лет назад и их трудно подтвердить напрямую, недавние наблюдения последовательно ставят под сомнение предыдущие модели и выявляют новые динамические пути», — заключили исследователи. «Наша гипотеза предсказывает наличие динамично активной и относительно молодой системы Сатурна, нынешняя конфигурация которой является результатом недавних, драматических событий. Будущие орбитальные, геофизические и геологические данные, особенно полученные в ходе миссий, направленных на изучение спутников Сатурна, обеспечат необходимую проверку этого сценария».