Wirujące wokół równika planety pierścienie Saturna świadczą o tym, że planeta kręci się w przechyleniu. Opasany olbrzym obraca się pod kątem 26,7 stopnia w stosunku do płaszczyzny, w której krąży wokół Słońca. Astronomowie od dawna podejrzewali, że to nachylenie pochodzi z interakcji grawitacyjnych z sąsiednim Neptunem, ponieważ nachylenie Saturna precesje, jak wirujący bączek, z prawie taką samą szybkością, jak orbita Neptuna.
Jednak nowe badanie modelowe przeprowadzone przez astronomów z MIT i innych miejsc wykazało, że chociaż obie planety mogły kiedyś być zsynchronizowane, Saturn uciekł od przyciągania Neptuna. Co było odpowiedzialne za tę zmianę planetarną? Zespół ma jedną skrupulatnie sprawdzoną hipotezę: brakujący księżyc.
W badaniu opublikowanym w Science zespół sugeruje, że Saturn, który dziś posiada 83 księżyce, kiedyś posiadał co najmniej jeszcze jednego, dodatkowego satelitę, którego nazwali Chrysalis. Naukowcy sugerują, że wraz z rodzeństwem Poczwarka krążyła wokół Saturna przez kilka miliardów lat, ciągnąc i ciągnąc planetę w sposób, który utrzymywał jej nachylenie lub „nachylenie” w rezonansie z Neptunem.
Ale około 160 milionów lat temu, jak szacuje zespół, Poczwarka stała się niestabilna i zbliżyła się zbyt blisko swojej planety podczas wypasanego spotkania, które rozerwało satelitę. Utrata księżyca wystarczyła, aby usunąć Saturna z uścisku Neptuna i pozostawić go z dzisiejszym nachyleniem.
Co więcej, naukowcy przypuszczają, że podczas gdy większość rozbitego ciała Chrysalis mogła uderzyć w Saturn, ułamek jego fragmentów mógł pozostać zawieszony na orbicie, ostatecznie rozpadając się na małe lodowe kawałki, tworząc charakterystyczne dla planety pierścienie.
Brakujący satelita może zatem wyjaśnić dwie odwieczne tajemnice: dzisiejsze 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 pierścienie się pojawiły” – mówi Jack Wisdom, profesor nauk planetarnych na MIT i główny autor nowego badania.
Współautorami badania są Rola Dbouk z MIT, Burkhard Militzer z University of California w Berkeley, William Hubbard z University of Arizona, Francis Nimmo i Brynna Downey z University of California w Santa Cruz oraz Richard French z Wellesley College.
Chwila postępu
Na początku XXI wieku naukowcy wysunęli pomysł, że nachylona oś Saturna jest wynikiem uwięzienia planety w rezonansie lub związku grawitacyjnym z Neptunem. Jednak obserwacje wykonane przez sondę kosmiczną NASA Cassini, która krążyła wokół Saturna w latach 2004-2017, zmieniły ten problem. Naukowcy odkryli, że Tytan, największy satelita Saturna, oddalał się od Saturna szybciej niż oczekiwano, z prędkością około 11 centymetrów rocznie. Szybka migracja Tytana i jego przyciąganie grawitacyjne doprowadziły naukowców do wniosku, że księżyc był prawdopodobnie odpowiedzialny za przechylanie i utrzymywanie Saturna w rezonansie z Neptunem.
Ale to wyjaśnienie opiera się na jednej wielkiej niewiadomej: momencie bezwładności Saturna, czyli rozmieszczeniu masy we wnętrzu planety. Nachylenie Saturna może zachowywać się inaczej, w zależności od tego, czy materia jest bardziej skoncentrowana w swoim jądrze, czy w kierunku powierzchni.
„Aby poczynić postępy w rozwiązaniu problemu, musieliśmy określić moment bezwładności Saturna” – mówi Wisdom.
Zagubiony żywioł
W swoim nowym badaniu Wisdom i jego koledzy 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 do precyzyjnego mapowania. pole grawitacyjne wokół całej planety. Pole grawitacyjne można wykorzystać do określenia rozkładu masy na planecie.
Wisdom i jego koledzy wymodelowali wnętrze Saturna i zidentyfikowali rozkład masy, który odpowiadał polu grawitacyjnemu obserwowanemu przez Cassini. Co zaskakujące, odkryli, że ten nowo zidentyfikowany moment bezwładności umieszcza Saturna blisko, ale tuż poza rezonansem z Neptunem. Planety mogły kiedyś być zsynchronizowane, ale już nie są.
„Potem zaczęliśmy polować na sposoby wydobycia Saturna z rezonansu Neptuna” – mówi Wisdom.
Zespół najpierw przeprowadził symulacje, aby ewoluować dynamikę orbity Saturna i jego księżyców wstecz w czasie, aby sprawdzić, czy jakiekolwiek naturalne niestabilności wśród istniejących satelitów mogły wpłynąć na nachylenie planety. To wyszukiwanie okazało się puste.
Tak więc naukowcy ponownie przeanalizowali równania matematyczne opisujące precesję planety, czyli sposób, w jaki zmienia się oś obrotu planety w czasie. 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.
Pytanie brzmiało, jak masywny musiałby być ten satelita i jaką dynamikę musiałby przejść, aby usunąć Saturna z rezonansu Neptuna?
Wisdom i jego koledzy przeprowadzili symulacje, aby określić właściwości satelity, takie jak jego masa i promień orbity oraz dynamika orbity, która byłaby wymagana do wybicia 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 Japetusa, trzeciego co do wielkości księżyca Saturna, pozwoliła mu uniknąć rezonansu.
Jakiś czas między 200 a 100 milionami lat temu poczwarka weszła w chaotyczną strefę orbitalną, doświadczyła wielu bliskich spotkań z Japetem i Tytanem, a w końcu zbliżyła się zbyt blisko Saturna, podczas spotkania na pastwisku, które rozerwało satelitę na kawałki, pozostawiając niewielki ułamek aby okrążyć planetę jako zasypany gruzami pierścień.
Odkryli, że utrata poczwarki wyjaśnia precesję Saturna i jego dzisiejsze nachylenie, a także późne formowanie się jego pierścieni.
„To całkiem dobra historia, ale jak każdy inny wynik, będzie musiała zostać zbadana przez innych” – mówi Wisdom. „Wygląda jednak na to, że ten zagubiony satelita był tylko poczwarką czekającą na swoją niestabilność”.
Badania te były częściowo wspierane przez NASA i Narodową Fundację Nauki.