Математическое моделирование орбитальной динамики Сатурна и его спутников по данным станции «Кассини» позволило выдвинуть новую гипотезу образования (очень молодых) колец Сатурна.
У Сатурна мог быть ещё один крупный спутник, который примерно 160 миллионов лет назад потерял гравитационную устойчивость и приблизился слишком близко к планете. В результате спутник был разорван на части приливными силами Сатурна, и его остатки, разнесённые по всей орбите, мы наблюдаем в виде системы колец. Такое предположение количественно объясняет и другие аномалии в небесной механике Сатурна, в частности, высокий наклон его оси вращения.
Кольца Сатурна — по космическим меркам очень эфемерное образование. Они образовались недавно, вероятно, порядка ста миллионов лет назад, и просуществуют тоже немного, промежуток времени, сопоставимый с этим. То есть человечеству повезло, что мы оказались с этим явлением на одном временном отрезке. Итак, сами кольца намного моложе планеты, и их происхождение пока неясно. Вместе с этим вопросом в паре идёт другая необъяснённая загадка: ось суточного вращения Сатурна сильно наклонена по отношению к плоскости обращения вокруг Солнца. Наклон составляет ≈26,7°. У Земли этот наклон, определяющий смену времён года — 23,5°, у Марса — сопоставимая величина, но для газовых гигантов это — из того, что мы знаем об условиях их формирования, — выглядит аномалией. Астрономы подозревают, что два явления (очень молодая система колец и слишком большой наклон оси вращения) — это следствия одного и того же астрономического механизма, который предстоит выяснить.
Долгое время существует правдоподобное объяснение наклону оси — взаимодействие с соседним газовым гигантом Нептуном. Скорость прецессии Сатурна почти совпадает с периодом обращения Нептуна (это называется спин-орбитальным резонансом). Кроме того, в распоряжении астрономов есть один важный факт наблюдений: крупный спутник Сатурна Титан «быстро» (по планетарным масштабам) мигрирует наружу, удаляясь от Сатурна. Именно эта миграция могла вызвать такой сильный наклон оси вращения Сатурна в результате резонансного взаимодействия с Нептуном.
Авторы нового исследования опирались на уточнённые данные параметров орбиты Сатурна и его спутников на основе информации от аппарата «Кассини». Результаты последнего этапа проекта «Кассини» с пролётом между кольцами и, наконец, контролируемым падением на планету позволили точно определить момент инерции Сатурна. Прежде всего они заметили, что уточнённый момент инерции планеты лежит как раз вне диапазона значений, которые бы допускали такой орбитальный резонанс.
Зато данные укладываются в новое объяснение. Математическое моделирование показало, что такой резонанс действительно был возможен в далёком прошлом, однако он был нарушен. Этим фактором, согласно гипотезе астрофизиков из MIT, мог быть ещё один спутник Сатурна, для которого предложили название Хризалида (куколка бабочки). Вместе с другими спутниками Сатурна (их сегодня известно 83) он на протяжении миллиардов лет обращался вокруг планеты-гиганта, в том числе обеспечивая деликатный баланс гравитационной системы и резонансное взаимодействие с Нептуном.
Напомним, что гравитационная система многих тел в общем случае малоустойчива. Это относится, например, к двойным или тройным звёздам, у которых есть несколько экзопланет — такие планеты легко теряют устойчивость, меняя свою орбиту, или даже могут быть выброшены из системы и стать одинокими планетами. То же самое можно сказать про крупную планету, у которой слишком много спутников — они мешают друг другу на орбитах. В недавнем исследовании, например, даже выяснили, сколько естественных спутников (лун) может позволить себе та или иная планета определённой массы. Неудивительно, что толпа из десятков спутников газового гиганта не всегда будет устойчивой, и может входить в хаотический режим даже почти на наших глазах, что, предполагают авторы, и случилось с сатурнианской системой.
Но в промежутке от 200 до 100 миллионов лет назад Хризалида вошла в хаотическую орбитальную зону. Примерно 160 миллионов лет назад орбита Хризалиды окончательно потеряла устойчивость. В этот период она пережила несколько столкновений с Иапетом и Титаном и в итоге оказалась слишком близко к Сатурну, то есть на расстоянии, меньшем, чем предел Роша. Приливные силы газового гиганта разорвали спутник на куски, и небольшая часть его вещества размазалась по орбите в виде колец. Потеря спутника нарушила установившееся гравитационное равновесие, но привела к другой устойчивой конфигурации. А именно, Сатурн разорвал резонансную связь с Нептуном, но вместе с тем приобрёл тот аномальный наклон оси, который мы видим сегодня. Статья с новой гипотезой по результатам математического моделирования системы Сатурна и Нептуна в сентябре 2022 года вышла в Science.
Такая гипотеза могла бы считаться очередным умозрительным построением (и подобных построений у астрономов уже имеется изрядное количество). В её пользу, однако, говорит то, что она объясняет сразу несколько явлений небесной механики Сатурна. Потеря Хризалиды, согласно этим расчётам, объясняет и прецессию Сатурна, и его высокий наклон оси, а также отвечает на вопрос, почему кольца у Сатурна образовались так недавно.
Подготовка материала: Сергей Шапиро