Pierścienie Saturna spowodowane przez starożytny, zaginiony księżyc?

Krążące wokół równika planety pierścienie Saturna są wskazówką, że planeta obraca się z przechyłem. Ten pasiasty olbrzym obraca się pod kątem 26,7 stopnia w stosunku do płaszczyzny, w której krąży wokół Słońca. Astronomowie od dawna podejrzewali, że to pochylenie pochodzi z grawitacyjnych oddziaływań z sąsiadującym z nim Neptunem, ponieważ Saturn, niczym wirujący czubek, obraca się w niemal takim samym tempie jak orbita Neptuna.

Jednak nowe badania przeprowadzone przez astronomów z MIT i innych ośrodków wykazały, że podczas gdy obie planety mogły być kiedyś zsynchronizowane, Saturn uciekł od przyciągania Neptuna. Co było odpowiedzialne za to przesunięcie planet? Zespół ma jedną skrupulatnie przetestowaną hipotezę: brakujący księżyc.

W pracy opublikowanej w Science, zespół proponuje, że Saturn, który obecnie posiada 83 księżyce, kiedyś posiadał co najmniej jeden dodatkowy satelitę, który nazwali Chrysalis. Naukowcy sugerują, że wraz ze swoim rodzeństwem Chrysalis krążyła wokół Saturna przez kilka miliardów lat, ciągnąc i szarpiąc planetę w sposób, który utrzymywał jej nachylenie, czyli „skośność”, w rezonansie z Neptunem.

Jednak około 160 milionów lat temu, jak szacuje zespół, Chrysalis stał się niestabilny i zbytnio zbliżył się do swojej planety w wyniku spotkania, które rozerwało satelitę. Utrata księżyca wystarczyła, by wyrwać Saturna z objęć Neptuna i pozostawić go z obecnym nachyleniem.

Co więcej, naukowcy przypuszczają, że podczas gdy większość rozbitego ciała Chrysalisa mogła uderzyć w Saturna, część jego fragmentów mogła pozostać zawieszona na orbicie, ostatecznie rozbijając się na małe lodowe kawałki i tworząc charakterystyczne pierścienie planety.

Brakujący satelita mógłby zatem wyjaśnić dwie od dawna istniejące tajemnice: Obecne nachylenie Saturna i wiek jego pierścieni, które wcześniej szacowano na około 100 milionów lat — znacznie młodsze niż sama planeta.

„Podobnie jak poczwarka motyla, ten satelita był długo uśpiony i nagle stał się aktywny, a z niego wyłoniły się pierścienie” – mówi Jack Wisdom, profesor nauk planetarnych na MIT i główny autor nowych badań.

Współautorzy badania to Rola Dbouk z MIT, Burkhard Militzer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, William Hubbard z Uniwersytetu w Arizonie, Francis Nimmo i Brynna Downey z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz oraz Richard French z Wellesley College.

Moment postępu

Na początku XXI wieku naukowcy wysunęli pomysł, że nachylona oś Saturna jest wynikiem uwięzienia planety w rezonansie, czyli asocjacji grawitacyjnej, z Neptunem. Ale obserwacje wykonane przez należącą do NASA sondę kosmiczną Cassini, która orbitowała wokół Saturna od 2004 do 2017 roku, wprowadziły nowy zwrot do problemu. Naukowcy odkryli, że Tytan, największy satelita Saturna, oddalał się od niego szybciej niż oczekiwano, w tempie około 11 centymetrów na rok. Szybka migracja Tytana oraz jego przyciąganie grawitacyjne doprowadziły naukowców do wniosku, że księżyc prawdopodobnie odpowiada za przechylanie i utrzymywanie Saturna w rezonansie z Neptunem.

Jednak to wyjaśnienie zależy od jednej głównej niewiadomej: momentu bezwładności Saturna, czyli tego, jak masa jest rozłożona we wnętrzu planety. Przechylenie Saturna może zachowywać się inaczej, w zależności od tego, czy materia jest bardziej skoncentrowana w jego jądrze, czy w kierunku powierzchni.

„Aby zrobić postęp w rozwiązaniu problemu, musieliśmy określić moment bezwładności Saturna” – mówi Wisdom.

Zagubiony element

W swoim nowym badaniu Wisdom i jego koledzy starali się ustalić moment bezwładności Saturna wykorzystując niektóre z ostatnich obserwacji wykonanych przez Cassini w jego „Wielkim Finale”, fazie misji, podczas której statek kosmiczny wykonał bardzo bliskie podejście, aby dokładnie odwzorować pole grawitacyjne wokół całej planety. Pole grawitacyjne może być wykorzystane do określenia rozkładu masy w planecie.

Wisdom i jego koledzy wymodelowali wnętrze Saturna i zidentyfikowali rozkład masy, który pasował do pola grawitacyjnego, jakie zaobserwował Cassini. Co zaskakujące, odkryli, że ten nowo zidentyfikowany moment bezwładności umieścił Saturna blisko, ale tuż poza rezonansem z Neptunem. Planety mogły kiedyś być zsynchronizowane, ale już nie są.

„Wtedy udaliśmy się na polowanie na sposoby wydobycia Saturna z rezonansu Neptuna” – mówi Wisdom.

Zespół najpierw przeprowadził symulacje, aby ewoluować dynamikę orbitalną Saturna i jego księżyców wstecz w czasie, aby sprawdzić, czy jakiekolwiek naturalne niestabilności wśród istniejących satelitów mogły wpłynąć na przechylenie planety. Te poszukiwania nie przyniosły rezultatu.

Naukowcy ponownie przeanalizowali więc równania matematyczne opisujące precesję planety, czyli to, jak oś obrotu planety zmienia się w czasie. Jeden z członów tego równania zawiera składowe pochodzące od wszystkich satelitów. Zespół doszedł do wniosku, że gdyby usunąć jednego satelitę z tej sumy, mógłby on wpłynąć na precesję planety.

Pytanie brzmiało: jak masywny musiałby być ten satelita i jakiej dynamice musiałby ulec, by wyłączyć Saturna z rezonansu Neptuna?

Wisdom i jego koledzy przeprowadzili symulacje, aby określić właściwości satelity, takie jak jego masa i promień orbity, oraz dynamikę orbitalną, która byłaby wymagana do wytrącenia Saturna z rezonansu.

Doszli do wniosku, że obecne nachylenie Saturna jest wynikiem rezonansu z Neptunem i że utrata satelity, Chrysalis, który był mniej więcej wielkości Iapetusa, trzeciego co do wielkości księżyca Saturna, pozwoliła mu uciec z rezonansu.

Jakiś czas między 200 a 100 milionami lat temu, Chrysalis wszedł w chaotyczną strefę orbitalną, doświadczył kilku bliskich spotkań z Iapetusem i Tytanem, a w końcu zbliżył się zbyt blisko Saturna, w spotkaniu, które rozerwało satelitę na kawałki, pozostawiając niewielką część, która okrążyła planetę w postaci pierścienia z gruzem.

Utrata Chrysalis, jak odkryli, wyjaśnia precesję Saturna i jego obecne nachylenie, jak również późne uformowanie się jego pierścieni.

„To całkiem dobra historia, ale jak każdy inny wynik, będzie musiała być zbadana przez innych” – mówi Wisdom. „Wydaje się jednak, że ten zaginiony satelita był tylko poczwarką, czekającą na swoją niestabilność”.

Badania te były wspierane, częściowo, przez NASA i National Science Foundation.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology. Jennifer Chu