Παρόλο που οι γίγαντες αερίου του Ηλιακού μας Συστήματος ποικίλλουν πολύ σε μέγεθος και μάζα, έχουν κάτι κοινό. Κάθε πλανήτης είναι περίπου 10.000 φορές μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα όλων των φεγγαριών τους. Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των πλανητών, τα βραχώδη φεγγάρια αναπτύχθηκαν από το στερεό υλικό που περιβάλλει κάθε πλανήτη. Καθώς αυτά τα φεγγάρια μεγάλωναν, το υπόλοιπο αέριο τα επιβράδυνε και έπεσαν στον πλανήτη για να καταναλωθούν. Τα φεγγάρια που βλέπουμε σήμερα ήταν τα τελευταία που σχηματίστηκαν γύρω από τους μητρικούς πλανήτες τους, αφού το αέριο είχε διαλυθεί.
Κάθε ένας από τους εξωτερικούς αέριους πλανήτες του Ηλιακού μας Συστήματος φιλοξενεί ένα σύστημα πολλαπλών δορυφόρων και αυτά τα αντικείμενα περιλαμβάνουν την ηφαιστειακή Ίο και την Ευρώπη του Δία με τον πιστευόμενο υπόγειο ωκεανό του, καθώς και τον Τιτάνα με την πυκνή και πλούσια σε οργανικά ατμόσφαιρά του στον Κρόνο. Ενώ οι μεμονωμένες ιδιότητες δορυφόρων ποικίλλουν, όλα τα συστήματα μοιράζονται μια εντυπωσιακή ομοιότητα: η συνολική μάζα κάθε δορυφορικού συστήματος σε σύγκριση με τη μάζα του πλανήτη υποδοχής του είναι σχεδόν μια σταθερή αναλογία, περίπου 1:10.000.
Έρευνα από επιστήμονες του Southwest Research Institute, που δημοσιεύτηκε στο τεύχος 15 Ιουνίου του Nature, προτείνει μια εξήγηση για το γιατί οι αέριοι πλανήτες εμφανίζουν αυτή τη συνοχή και γιατί οι δορυφόροι των πλανητών αερίου είναι τόσο μικρότεροι σε σύγκριση με τον πλανήτη τους από τους κύριους δορυφόρους του συμπαγείς πλανήτες.
Οι τέσσερις δορυφόροι του Γαλιλαίου του Δία είναι ο καθένας περίπου παρόμοιος σε μέγεθος, ενώ ο Κρόνος έχει έναν μεγάλο δορυφόρο μαζί με πολλούς πολύ μικρότερους δορυφόρους. Ακόμα κι έτσι, η συνολική μάζα και στα δύο δορυφορικά συστήματα είναι περίπου το ένα εκατοστό του ενός τοις εκατό (0,0001) της μάζας του αντίστοιχου πλανήτη. Η δομή του δορυφορικού συστήματος του Ουρανίου είναι παρόμοια με αυτή του Δία, και παρουσιάζει επίσης την ίδια αναλογία μάζας. Αντίθετα, οι μεγάλοι δορυφόροι των συμπαγών πλανητών περιέχουν πολύ μεγαλύτερα κλάσματα της μάζας του πλανήτη τους, με τη Σελήνη να περιέχει το 1 τοις εκατό (0,01) της μάζας της Γης και τον δορυφόρο του Πλούτωνα, Χάροντα, να περιέχει περισσότερο από το 10 τοις εκατό (0,1) της μάζας της.
Γιατί οι αέριοι πλανήτες, ο καθένας με τη δική του μοναδική ιστορία σχηματισμού, έχουν δορυφορικά συστήματα που περιέχουν ένα σταθερό κλάσμα της μάζας κάθε πλανήτη, και γιατί αυτό το κλάσμα είναι τόσο μικρό σε σύγκριση με τους δορυφόρους συμπαγών πλανητών; Ο Δρ Robin Canup και ο Dr. William Ward του Τμήματος Διαστημικών Μελετών SwRI προτείνουν ότι ήταν η παρουσία αερίου, κυρίως υδρογόνου, κατά τον σχηματισμό αυτών των δορυφόρων που περιόρισε την ανάπτυξή τους και επιλέχθηκε για ένα κοινό κλάσμα μάζας δορυφορικού συστήματος.
Καθώς σχηματίστηκαν οι αέριοι πλανήτες, συσσώρευσαν αέριο υδρογόνο και στερεά όπως πέτρες και πάγος. Το τελικό στάδιο του σχηματισμού ενός πλανήτη αερίου πιστεύεται ότι περιλαμβάνει μια εισροή αερίου και στερεών από την ηλιακή τροχιά στην πλανητική τροχιά, παράγοντας έναν δίσκο αερίων και στερεών που περιστρέφονται γύρω από τον πλανήτη στο ισημερινό του επίπεδο. Είναι μέσα σε αυτόν τον δίσκο που πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν οι δορυφόροι.
Οι Canup και Ward θεώρησαν ότι η βαρύτητα ενός αυξανόμενου δορυφόρου προκαλεί σπειροειδή κύματα σε έναν περιβάλλοντα δίσκο αερίου και ότι οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των κυμάτων και του δορυφόρου προκαλούν συστολή της τροχιάς του δορυφόρου. Αυτό το φαινόμενο γίνεται ισχυρότερο καθώς μεγαλώνει ένας δορυφόρος, έτσι ώστε όσο μεγαλύτερος γίνεται ένας δορυφόρος, τόσο πιο γρήγορα η τροχιά του κινείται προς τα μέσα προς τον πλανήτη. Η ομάδα προτείνει ότι η ισορροπία δύο διεργασιών - της συνεχιζόμενης εισροής υλικού στους δορυφόρους κατά την ανάπτυξή τους και της απώλειας δορυφόρων σε σύγκρουση με τον πλανήτη - συνεπάγεται ένα μέγιστο μέγεθος για έναν δορυφόρο πλανήτη αερίου σύμφωνα με τις παρατηρήσεις.
Χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις και αναλυτικές εκτιμήσεις της ανάπτυξης και της απώλειας δορυφόρων, η ομάδα δείχνει ότι ήταν πιθανές πολλές γενιές δορυφόρων, με τους σημερινούς δορυφόρους να είναι η τελευταία επιζούσα γενιά που σχηματίστηκε καθώς σταμάτησε η ανάπτυξη του πλανήτη και ο δίσκος αερίου διασκορπίστηκε. Οι Canup και Ward αποδεικνύουν ότι κατά τη διάρκεια πολλαπλών κύκλων ανάπτυξης και απώλειας δορυφόρων, το κλάσμα της μάζας του πλανήτη που περιέχεται στους δορυφόρους του ανά πάσα στιγμή διατηρεί μια τιμή όχι πολύ διαφορετική από το 0,0001 σε ένα ευρύ φάσμα επιλογών παραμέτρων μοντέλων.
Οι άμεσες προσομοιώσεις της ομάδας είναι επίσης οι πρώτες που παράγουν δορυφορικά συστήματα παρόμοια με αυτά του Δία, του Κρόνου και του Ουρανού ως προς τον αριθμό των δορυφόρων, τις μεγαλύτερες μάζες τους και τις αποστάσεις των μεγάλων δορυφορικών τροχιών.
«Πιστεύουμε ότι τα αποτελέσματά μας παρουσιάζουν μια ισχυρή υπόθεση ότι τα δορυφορικά συστήματα του Δία και του Κρόνου σχηματίστηκαν μέσα σε δίσκους που παράγονται καθώς ο ίδιος ο πλανήτης βρισκόταν στα τελικά στάδια ανάπτυξής του», λέει ο Canup. «Ωστόσο, η προέλευση του δορυφορικού συστήματος του Ουρανού παραμένει πιο αβέβαιη και η πιθανότητα να εφαρμοστούν τα αποτελέσματά μας σε αυτόν τον πλανήτη εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο ο Ουρανός πέτυχε την αξονική του κλίση σχεδόν 98 μοιρών, το οποίο είναι ένα θέμα ενεργής μελέτης».
Για τα εξωηλιακά συστήματα, αυτή η έρευνα προτείνει ότι οι μεγαλύτεροι δορυφόροι ενός πλανήτη μάζας Δία θα έχουν μέγεθος Σελήνης-Άρη, έτσι ώστε οι εξωπλανήτες μεγέθους Jovian να μην αναμένεται να φιλοξενούν δορυφόρους τόσο μεγάλους όσο η Γη. Αυτό σχετίζεται με την πιθανή κατοικησιμότητα των δορυφόρων σε εξωηλιακά συστήματα.
Τα προγράμματα της NASA Planetary Geology and Geophysics and Outer Planets Research χρηματοδότησαν αυτήν την έρευνα. Το άρθρο, «Μια κοινή κλίμακα μάζας για δορυφορικά συστήματα αερίων πλανητών», των Canup and Ward, εμφανίζεται στο τεύχος της 15ης Ιουνίου του Nature.
Αρχική πηγή: Δελτίο τύπου SwRI
