Впечатление художника по моделированию, проведённому в этом производстве. Юпитер (внизу слева) обладает значительным магнитным полем, который образует полость в его околопланетном диске. Сатурну (вверху справа) не хватает сильного магнитного поля, поэтому его околопланетный диск создан без полости. Фото: Юрий И. Фуджи/L-INSIGHT (Киотский университет), иллюстратор: Шиничиро Киносита
Юпитер и Сатурн, две крупнейшие планеты Солнечной системы, окружённые плотными облаками и многочисленными спутниками, демонстрируют поразительные различия в строении своих лунных систем. На сегодняшний день у Юпитера зафиксировано более 100 спутников, тогда как Сатурн, помимо обширной системы колец, насчитывает свыше 280 таких объектов. Однако не количество, а состав их крупнейших лун вызывает главные вопросы у астрономов.
Среди юпитерианских спутников выделяются четыре гиганта — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто; причём Ганимед считается самым большим спутником во всей Солнечной системе. У Сатурна же доминирующее положение занимает Титан — второй по величине спутник Солнечной системы. Столь разительный контраст в конфигурациях орбит и масс долгое время оставался необъяснимым в рамках существующих теорий формирования планетных систем.
Давнюю загадку, почему у двух газовых гигантов, столь схожих по своей природе, спутники сформировались настолько по-разному, попытались разрешить исследователи из Японии и Китая, включая сотрудников Киотского университета. Созданная ими новая модель объединяет процессы магнитной аккреции и эволюции околопланетных дисков. «Проверка теории формирования планет сложна, поскольку в качестве ориентира у нас есть только наша Солнечная система, но рядом с нами есть множество спутниковых систем, конкретные характеристики которых мы довольно можем наблюдать», — пояснил ведущий автор работы Юрий Иванович Фуджи.
Ранее астрономы спорили, мог ли околопланетный диск Юпитера — вращающееся скопление материала вокруг молодой планеты, из которого рождаются спутники — образовывать пустую внутреннюю область. Теперь же единая физическая теория, призванная объяснить лунные системы обоих гигантов, обещает пролить свет на зависимость между планетами и их спутниками в масштабах всей Солнечной системы.
Роль магнитных полей в формировании спутников
Исследователи провели серию вычислительных экспериментов, чтобы воссоздать внутреннюю структуру и термическую эволюцию Юпитера и Сатурна в их молодости. Оценки показали, как магнитные поля планет могли меняться с течением времени. Параллельно моделировались околопланетные диски, окружавшие оба мира, а при помощи N-тельного моделирования отслеживалась миграция спутников и постепенное изменение их орбит. Все расчёты выполнялись на кластере персональных компьютеров Центра вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии.
Симуляции выявили принципиальное различие: молодой Юпитер обладал настолько мощным магнитным полем, что оно сформировало магнитосферную полость внутри его околопланетного диска. Этот внутренний разрыв, по всей видимости, сыграл роль «безопасной зоны», позволившей захватить и удержать Ио, Европу и Ганимед во время их движения по диску. Напротив, магнитное поле молодого Сатурна оказалось существенно слабее — оно не смогло создать аналогичную полость. Без такой защищённой области мигрирующие спутники просто не выживали внутри диска, что привело к формированию всего одного гиганта — Титана.
Полученные результаты способны помочь в будущих наблюдениях экзолун и молодых газовых гигантов за пределами Солнечной системы. Согласно построенной модели, планета размером с Юпитер или больше должна иметь компактные системы, содержащие несколько крупных спутников. В то же время газовые миры, чьи размеры ближе к сатурнианским, обычно могут похвастаться лишь одним или, максимум, двумя лунами.
Теперь исследователи намерены применить свою модель не только к спутникам Юпитера и Сатурна, но и к возможным системам экзолун вокруг удалённых планет, что может открыть новые горизонты в понимании формирования планетных систем во Вселенной.