V-kosmose.com

Астрономы Caltech выдвинули новую гипотезу зарождения галилеевых спутников Юпитера

Слои облаков кружатся в атмосфере Юпитера, запечатленные на этом снимке с помощью JunoCam. Фото: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Image processing: Kevin M. Gill

Слои облаков кружатся в атмосфере Юпитера, запечатленные на этом снимке с помощью JunoCam. Фото: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Image processing: Kevin M. Gill

Четыреста лет назад астроном Галилео Галилей объявил о своем открытии четырех лун, вращающихся вокруг планеты Юпитер, каждая из которых видна как отдельная белая точка на его телескопе. Однако только в течение последних четырех десятилетий астрономы смогли детально изучить спутники Юпитера, чтобы обнаружить, что четыре - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто - являются своими собственными захватывающими мирами.

Хотя все они имеют одинаковые размеры - около четверти радиуса Земли - четыре луны разнообразны: Ио сильно вулканический, Европа покрыта льдом, Ганимед имеет магнитное поле, а Каллисто пронзен древними кратерами. Более того, ледяная Европа считается сильным кандидатом на наличие жизни в Солнечной системе.

Один открытый вопрос все еще озадачивает ученых-планетологов: как образовались спутники Юпитера?

Теперь профессор Caltech по планетологии Константин Батыгин и его сотрудник Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного Берега во Франции предложили ответ на этот давний вопрос. Используя аналитические расчеты и крупномасштабное компьютерное моделирование, они предлагают новую теорию происхождения спутников Юпитера. Исследование описано в статье, опубликованной в выпуске Astrophysical Journal от 18 мая.

Профессор планетологии Константин Батыгин объясняет новую модель, описывающую формирование четырех крупнейших спутников Юпитера. Видео: Caltech

В течение первых нескольких миллионов лет жизни нашего Солнца оно было окружено протопланетным диском, состоящим из газа и пыли. Юпитер объединился с этим диском и стал окруженным его собственным диском строительного материала. Этот так называемый круговидовский диск питался материалом от протопланетного диска, который обрушивался на Юпитер на полюсах планеты и стекал обратно из сферы гравитационного влияния Юпитера вдоль экваториальной плоскости планеты. Но как этот постоянно меняющийся диск накопил достаточно материала для образования лун?

Новая модель Батыгина и Морбиделли решает эту проблему, объединяя физику взаимодействия пыли и газа в круговом круге диска. В частности, исследователи демонстрируют, что для зерен ледяной пыли определенного диапазона размеров сила, тянущая их к Юпитеру, и сила (увлечение), переносящая их в выходящем потоке газа, прекрасно компенсируют друг друга, позволяя диску действовать как гигантская пылевая ловушка. Батыгин говорит, что вдохновение для идеи пришло, когда он вышел на пробежку.

Это композитное изображение включает в себя крупнейших спутника Юпитера, которые известны как спутники Галилея. Впервые галилеевы спутники были замечены итальянским астрономом Галилео Галилеем в 1610 году. Слева направо в порядке увеличения расстояния от Юпитера ближе всего находится Ио, за которым следуют Европа, Ганимед и Каллисто. Фото: NASA/JPL/DLR

Это композитное изображение включает в себя крупнейших спутника Юпитера, которые известны как спутники Галилея. Впервые галилеевы спутники были замечены итальянским астрономом Галилео Галилеем в 1610 году. Слева направо в порядке увеличения расстояния от Юпитера ближе всего находится Ио, за которым следуют Европа, Ганимед и Каллисто. Фото: NASA/JPL/DLR

«Я бежал по холму и увидел, что на земле была бутылка, которая не катилась с холма, потому что ветер, идущий сзади меня, толкал ее вверх и удерживал в равновесии с гравитацией», - говорит он. «Простая аналогия пришла на ум: если бутылка пива, катящаяся по наклонной плоскости, похожа на орбитальный распад твердых зерен из-за гидродинамического сопротивления, то частицы определенного диапазона размеров должны найти эквивалентный баланс на орбите Юпитера!»

Модель исследователей предполагает, что благодаря этому балансу между внутренним сопротивлением и увлечением наружу, диск вокруг Юпитера стал богатым ледяными пылинками, каждый размером около одного миллиметра. В конце концов, это кольцо пыли стало настолько массивным, что под собственным весом оно распалось на тысячи «спутниковых частиц» - похожих на астероиды длиной около 100 км.

Согласно модели, когда сформировалась первая луна (Ио) и её масса достигла определенного порога, ее гравитационное влияние начало поднимать волны в газообразном диске материала, который окружал Юпитер. Взаимодействуя с этими волнами, луна мигрировала к Юпитеру, пока не достигла внутреннего края диска, рядом с его нынешней орбитой. Затем процесс начался снова со следующей луны.

Этот последовательный процесс формирования и внутренней миграции привел к тому, что Ио, Европа и Ганимед оказались в орбитальном резонансе - конфигурации, где на каждые четыре орбиты Ио приходится 2 орбиты Европы и одна Ганимеда. Этот так называемый резонанс Лапласа является одной из наиболее ярких и известных особенностей орбит спутника.

Наконец, модель предполагает, что солнечное излучение в конечном итоге сдуло оставшийся газ в диске вокруг Юпитера, оставив после себя остатки спутников, которые затем образовали четвертую и последнюю большую луну, Каллисто. Однако из-за отсутствия газа, способствующего миграции на большие расстояния, Каллисто не могла присоединиться к другим лунам в резонансе и оставалась без движения, чтобы совершать оборот вокруг Юпитера каждые 2 недели.

О спутниках Юпитера еще многое предстоит узнать. Миссия NASA Europa Clipper, стартующая в 2024 году, посетит Европу с целью выяснить, есть ли у нее условия, пригодные для жизни. Европейское космическое агентство также планирует отправить миссию под названием JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE), сосредоточенную на Ганимеде, самом большом из спутников Юпитера.