Pierścienie Saturna mają około 100 milionów lat, ale nie jest jasne, jak mogły powstać tak niedawno. Opasany olbrzym obraca się pod kątem 26.7 stopnia w stosunku do płaszczyzny, w której krąży wokół Słońca.
Ponieważ Nachylenie Saturna precesy, niczym wirujący bąk, w niemal takim samym tempie, jak orbita Neptuna, astronomowie od dawna stawiali hipotezę, że to nachylenie wynika z interakcji grawitacyjnych z sąsiadem Neptun.
Chociaż obie planety mogły kiedyś być zsynchronizowane, astronomowie MIT i inne uniwersytety odkryły, że Saturn od tego czasu umknął przyciąganiu Neptuna.
Co spowodowało to przestawienie planet?
Zespół stawia nową hipotezę. Zaproponowali, aby system Saturna zawierał wcześniej dodatkowy księżyc o nazwie Poczwarka. Wraz z inne księżycePoczwarka krążyła wokół Saturna przez kilka miliardów lat, ciągnąc i ciągnąc planetę w sposób, który utrzymywał jej nachylenie lub „nachylenie” w rezonansie z Neptunem.
Uważa się jednak, że poczwarka stała się niestabilna około 160 milionów lat temu i zbliżyła się zbyt blisko do swojej planety podczas wypasanego spotkania, które rozerwało satelitę. Utrata księżyca wystarczyła, by uwolnić Saturna od przyciągania Neptuna i nadać mu dzisiejsze nachylenie. Co więcej, ułamek fragmentów Poczwarki mógł pozostać zawieszony na orbicie, ostatecznie rozpadając się na małe lodowe kawałki, tworząc charakterystyczne dla planety pierścienie.
Astronomowie sugerują, że ten brakujący księżyc może wyjaśnić dwie odwieczne tajemnice: dzisiejsze nachylenie Saturna i wiek jego pierścieni, które oszacowano na około 100 milionów lat – znacznie młodsze niż sama planeta.
Jack Wisdom, profesor nauk planetarnych na MIT i główny autor nowego badania, powiedział: „Podobnie jak poczwarka motyla, ten satelita był długo uśpiony i nagle stał się aktywny, a pierścienie się pojawiły”.
Na początku XXI wieku naukowcy postawili hipotezę, że Saturn miał nachyloną oś z powodu rezonansu grawitacyjnego lub połączenia z Neptunem. Jednak Cassini, statek kosmiczny NASA, który krążył wokół Saturna w latach 2000-2004, dokonał odkryć, które nadały problemowi nowy punkt widzenia. TitanOdkryto, że największy satelita Saturna migruje z Saturna w tempie około 11 centymetrów rocznie, czyli szybciej niż oczekiwano. Ta szybka migracja i jej przyciąganie grawitacyjne pozwoliły naukowcom dojść do wniosku, że księżyc był prawdopodobnie odpowiedzialny za przechylanie i utrzymywanie Saturna w rezonansie z Neptunem.
Jack Wisdom, profesor nauk planetarnych na MIT i główny autor nowego badania, powiedział: „Aby poczynić postępy w rozwiązaniu problemu, musieliśmy określić moment bezwładności Saturna”.
W tym nowym badaniu naukowcy starali się określić moment bezwładności Saturna, wykorzystując niektóre z ostatnich obserwacji dokonanych przez Cassini w „Wielkim Finale”, fazie misji, podczas której statek kosmiczny wykonał niezwykle bliskie podejście, aby precyzyjnie odwzorować pole grawitacyjne na całej planecie. Pole grawitacyjne można wykorzystać do określenia rozkładu masy na planecie.
Wymodelowali wnętrze Saturna i zidentyfikowali rozkład masy, który odpowiadał polu grawitacyjnemu obserwowanemu przez Cassini. Co zaskakujące, ten nowo zidentyfikowany moment bezwładności umieścił Saturna blisko, ale tuż poza rezonansem z Neptunem. Planety mogły kiedyś być zsynchronizowane, ale już nie są.
Zaczęli od przeprowadzenia symulacji, aby wyewoluować dynamikę orbitalną Saturn i jego księżyce wstecz w czasie. Chcieli ustalić, czy jakiekolwiek naturalne niestabilności wśród istniejących satelitów mogły wpłynąć na nachylenie planety. To wyszukiwanie okazało się puste.
Aby lepiej zrozumieć, jak zmienia się oś obrotu planety w czasie, znana jako precesja, naukowcy ponownie przeanalizowali równania matematyczne, które ją opisują. Jeden wyraz w tym równaniu ma udziały wszystkich satelitów. Zespół doszedł do wniosku, że usunięcie jednego satelity z tej sumy może wpłynąć na precesję planety.
Przeprowadzając symulacje, naukowcy określili właściwości poczwarki, w tym jej masę i promień orbity oraz dynamikę orbity, która byłaby wymagana do wybicia Saturna z rezonansu. Doszli do wniosku, że rezonans między Saturnem a Neptunem spowodował obecne nachylenie planety, a utrata satelity Chrysalis, mniej więcej wielkości trzeciego co do wielkości księżyca Saturna, Iapetusa, pozwoliła Saturnowi uniknąć rezonansu.
Naukowcy zauważyli, „Kiedyś między 200 a 100 milionami lat temu poczwarka weszła w chaotyczną strefę orbitalną, doświadczyła kilku bliskich spotkań z Japetem i Tytanem, a w końcu zbliżyła się zbyt blisko Saturna, podczas spotkania na pastwisku, które rozerwało satelitę na kawałki, pozostawiając niewielką część do okrąż planetę jak zasypany gruzami pierścień.
„Utrata poczwarki wyjaśnia precesję Saturna i jego dzisiejsze nachylenie, a także późne formowanie się jego pierścieni”.
Mądrość powiedziany, „To całkiem dobra historia, ale jak każdy inny wynik, będzie musiała zostać zbadana przez innych. Ale wygląda na to, że ten zagubiony satelita był tylko poczwarką czekającą na swoją niestabilność”.
Referencje czasopisma:
- Jack Wisdom i in. Utrata satelity mogłaby wyjaśnić nachylenie Saturna i młode pierścienie. NAUKA, DOI: 10.1126/science.abn1234
