Астрономы выяснили, почему у Юпитера больше крупных спутников, чем у Сатурна

Фото из открытых источников

Юпитер и Сатурн, две крупнейшие планеты Солнечной системы, известны своими обширными и разнообразными системами спутников. В настоящее время у Юпитера более 100 спутников, а у Сатурна — более чем вдвое больше, более 280 известных спутников. Однако система спутников Юпитера включает четыре крупных спутника — Ио, Европу, Ганимед и Каллисто — и в этой системе находится самый большой спутник в Солнечной системе (Ганимед). Между тем, система спутников Сатурна представлена одним крупным спутником (Титан), вторым по величине в Солнечной системе.

Поскольку обе планеты являются газовыми гигантами и, как считается, имеют схожую историю формирования, причина этого различия долгое время оставалась загадкой для астрономов. Это побудило исследователей из Китая и Японии к совместной работе над созданием физически непротиворечивой модели, которая могла бы объяснить существование нескольких систем. Рассмотрев магнитную аккрецию, они показали, что образование магнитосферной полости в аккреционном диске молодого газового гиганта может объяснить различия между этими двумя спутниковыми системами.

Исследователей возглавлял Юрий И. Фудзи из Высшей школы гуманитарных и экологических исследований Киотского университета и Высшей школы естественных наук Нагойского университета. К нему присоединились Масахиро Огихара из Государственной ключевой лаборатории физики темной материи Шанхайского университета Цзяотун и Токийского технологического института, а также доцент Ясунори Хори из Университета Окаяма и Центра астробиологии в Митаке, Япония. Статья с подробным описанием их результатов была опубликована в журнале Nature Astronomy.

В последние годы ученые переосмысливают модели формирования спутников, во многом благодаря исследованиям роли магнитных полей звезд. В этом процессе магнитное поле планеты определяет, как окружающий ее материал падает на нее и формирует структуры. «Проверка теории формирования планет несколько затруднена, поскольку в качестве эталона мы можем использовать только нашу Солнечную систему, но рядом с нами находится множество спутниковых систем, подробные характеристики которых мы можем наблюдать», — сказал Фудзи.

Чтобы определить, как менялись тепловые свойства и магнитные поля Юпитера и Сатурна с течением времени, Фудзи и его коллеги провели численное моделирование внутренней структуры молодых газовых гигантов. Они также выполнили моделирование околопланетных дисков вокруг обеих планет, а также формирования спутников и их орбитальной миграции, используя кластер ПК в Центре вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ).

Результаты их исследований показали, что разница между этими двумя системами может быть объяснена силой магнитных полей планет. В случае Юпитера его сильное магнитное поле (самое сильное в Солнечной системе — 417 микротесла) создало магнитосферную полость в околопланетном диске, которая, вероятно, захватила спутники Ио, Европу и Ганимед. В отличие от этого, магнитное поле Сатурна (21 микротесла) было слишком слабым, чтобы образовать полость, поэтому мигрирующие спутники не могли выжить в его диске.

Эти результаты также могут объяснить, почему Каллисто не обладает характерным орбитальным резонансом Ио, Европы и Ганимеда (1:2:4). Они также закладывают основу для будущих исследований экзопланет, которые включают наблюдения экзолун и околопланетных дисков вокруг молодых газовых гигантов. В то время как газовые гиганты, сходные по массе с Юпитером (или более крупные), скорее всего, будут эволюционировать в компактные многолунные системы, газовые гиганты, подобные Сатурну, скорее всего, образуют одну или две большие луны и несколько меньших. Команда надеется расширить эту теорию, чтобы учесть другие спутниковые системы (Уран и Нептун) и потенциальные экзолунные системы.