Кольца Сатурна, вращающиеся вокруг экватора планеты, являются очевидным индикатором того, что планета вращается под наклоном. Опоясанный газовый гигант вращается под углом 26,7 градуса относительно плоскости, в которой он вращается вокруг Солнца. Поскольку наклон Сатурна прецессирует, как волчок, почти с той же скоростью, что и орбита его соседа Нептуна, астрономы давно подозревали, что этот наклон происходит из-за гравитационного взаимодействия с Нептуном.
Тем не менее, новое исследование моделирования, проведенное астрономами из Массачусетского технологического института, показало, что, хотя две планеты когда-то могли быть синхронизированы, Сатурн с тех пор избежал притяжения Нептуна. Что было ответственно за эту планетарную перестройку? У исследовательской группы есть одна тщательно проверенная гипотеза: пропавшая луна. Их исследование было опубликовано в журнале Science.
В исследовании команда предполагает, что Сатурн, у которого сегодня есть 83 спутника, когда-то имел по крайней мере еще один, дополнительный спутник, который они назвали Кризалис. Астрономы предполагают, что вместе со своими братьями и сестрами Хризалис вращалась вокруг Сатурна в течение нескольких миллиардов лет, притягивая и дергая планету таким образом, что ее наклон и угол вращения сохранялись в резонансе с Нептуном.
Тем не менее, по оценкам команды, около 160 миллионов лет назад Хризалис стал нестабильным и подошёл слишком близко к своей планете в результате столкновения, которое разорвало спутник. Утраты Луны было достаточно, чтобы вывести Сатурн из хватки Нептуна и оставить его с нынешним наклоном.
Кроме того, предполагают астрономы, хотя большая часть разрушенного тела Кризалис могла столкнуться с Сатурном, часть его фрагментов могла остаться на орбите, в конечном итоге разбиваясь на маленькие ледяные куски, образующие характерные кольца планеты.
Таким образом, пропавший спутник Хризалис может объяснить две давние загадки: нынешний наклон Сатурна и возраст его колец, возраст которых ранее оценивался примерно в 100 миллионов лет — намного моложе, чем сама планета.
Что не так с Сатурном?
В начале 2000-х годов ученые выдвинули идею о том, что наклонная ось Сатурна является результатом резонанса или гравитационной связи планеты с Нептуном. Однако наблюдения, проведенные космическим кораблем NASA Кассини, который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, придали проблеме новый поворот. Ученые обнаружили, что Титан, крупнейший спутник Сатурна, мигрирует от Сатурна быстрее, чем ожидалось, со скоростью около 11 сантиметров в год. Быстрая миграция Титана и его гравитационное притяжение привели ученых к выводу, что Луна, вероятно, была ответственна за наклон и удержание Сатурна в резонансе с Нептуном.
Тем не менее, это объяснение зависит от одного важного неизвестного фактора: момента инерции Сатурна, то есть от того, как масса распределяется внутри планеты. Наклон Сатурна может вести себя по-разному, в зависимости от того, сосредоточена ли материя в его ядре или ближе к поверхности.
В своем новом исследовании ученые попытались определить момент инерции Сатурна, используя некоторые из последних наблюдений, сделанных Кассини в его "грандиозном финале", фазе миссии, во время которой космический корабль совершил очень близкий облет, чтобы точно нанести на карту гравитационное поле вокруг всей планеты. Гравитационное поле можно использовать для определения распределения массы на планете.
Авторы исследования смоделировали внутреннюю часть Сатурна и определили распределение массы, которое соответствовало гравитационному полю, наблюдаемому Кассини. Удивительно, но они обнаружили, что этот недавно обнаруженный момент инерции поместил Сатурн близко к резонансу с Нептуном, но сразу за его пределами. Планеты, возможно, когда-то были синхронизированы, но больше не сейчас.
Для начала, команда провела моделирование, чтобы изменить орбитальную динамику Сатурна и его спутников назад во времени, чтобы увидеть, могли ли какие-либо естественные нестабильности среди существующих спутников повлиять на наклон планеты. Этот поиск оказался пустым.
Итак, исследователи пересмотрели математические уравнения, описывающие прецессию планеты, то есть то, как ось вращения планеты изменяется с течением времени. Один член в этом уравнении имеет вклад от всех спутников. Команда рассудила, что если из этой суммы исключить один спутник, это может повлиять на прецессию планеты.
Вопрос заключался в том, насколько массивным должен быть этот спутник и какой динамике он должен подвергнуться, чтобы вывести Сатурн из резонанса Нептуна? Ученые провели моделирование, чтобы определить свойства спутника, такие как его масса и радиус орбиты, а также орбитальную динамику, которая потребуется, чтобы вывести Сатурн из резонанса.
Из своих результатов они пришли к выводу, что нынешний наклон Сатурна является результатом резонанса с Нептуном и что потеря спутника Хризалиса, который был размером примерно с третий по величине спутник Сатурна, Япет, позволила ему избежать резонанса.
Где-то между 200 и 100 миллионами лет назад Хризалис вошла в хаотичную орбитальную зону, пережила ряд близких столкновений с Япетом и Титаном и, в конце концов, подошла слишком близко к Сатурну в скользящем столкновении, которое разорвало спутник на куски, оставив небольшую часть, чтобы окружить планету кольцом, усеянным обломками.
Потеря Кризалиса, как они обнаружили, не только объясняет прецессию Сатурна и его нынешний наклон, но также объясняет позднее формирование его эффектных колец.
