Zaginiony księżyc Saturna może być powodem powstania malowniczych pierścieni?

Saturn - książę wśród planet

Saturn jest szóstą planetą od Słońca w naszym Układzie Słonecznym i drugą po Jowiszu jeśli chodzi o wielkość. Saturn krąży w odległości 9,5 jednostek astronomicznych od naszej gwiazdy i jest nachylony do płaszczyzny swojej orbiny pod kątem 26,7 stopnia. Powód takiego stanu i geneza niezwykłych pierścieni, którymi charakteryzuje się planeta była przedmiotem badania modelowego astronomów z Massachusetts Institute of Technology. 

Od dawna badacze podejrzewali, że nachylenie spowodowane jest interakcjami grawitacyjnymi z niedalekim Neptunem. Sprawia to, że Saturn zachowuje się trochę jak wirujący bączek, na którego wpływa grawitacja sąsiada. A przynajmniej zachowywał się tak w przeszłości. Nowe badania sugerują, że planety utraciły posiadaną wcześniej synchronizację. Przyczyna pozostaje tajemnicza jednak zespół z MIT dzieli się skrupulatnie sprawdzoną hipotezą: Saturn miał kiedyś dodatkowy księżyc.

Pomimo, że wiele planet posiada pierścienie, to te Saturna są najbardziej widowiskowe. Składają się głównie z odłamków lodu o różnej wielkości, od pyłu do rozmiarów małego samochodu. Czy jest to zasługa brakującego księżyca? (fot. NASA)

Chrysalis - Poczwarka na bliskiej orbicie

Obecnie planeta posiada 83 księżyce, z czego tylko 5 ma średnicę powyżej 1000 kilometrów. W przeszłości okrążał ją przynajmniej jeszcze jeden dodatkowy satelita, który został nazwany przez astronomów mianem Chrysalis (ang. poczwarka). Księżyc ten krążył wokół Saturna przez kilka miliardów lat mając wpływ zarówno na nachylenie osi planety jak i na współoddziaływanie jakie łączyło Saturna z Neptunem.

Wedle szacunków zespołu z MIT około 160 milionów lat temu Chrysalis stał się niestabilny i zbyt mocno zbliżył się do planety co spowodowało rozerwanie poczwarki na strzępy. Prawdopodobnie większość masy księżyca spadła na powierzchnię Saturna, jednak część (głównie złożona z zanieczyszczonego materiałem skalnym lodu) rozpadła się ostatecznie doprowadzając do utworzenia się charakterystycznych dla planety pierścieni. Ma to wiele sensu, z uwagi na to, że wiek samych pierścieni szacuje się na około 100 milionów lat. 

Utrata księżyca była też wystarczającym bodźcem do wyzwolenia Saturna spod wpływu Neptuna, choć obecne nachylenie osi w stosunku do orbity pozostaje pamiątką tego oddziaływania. Według obliczeń astronomów wpływ jaki miał Chrysalis na planetę (o ile przewidywania są prawidłowe) sugeruje, że rozmiarem i masą był on zbliżony do Japeta, czyli trzeciego pod względem wielkości satelity Saturna.

Japet to trzeci księżyc Saturna pod względem wielkości. Jego średnica wynosi 1436 kilometrów a zbudowany jest w zdecydowanej większości z lodu. Jego okres obrutu jest synchroniczny, więc podobnie jak nasz Księżyc jest on przez cały czas zwrócony do Saturna tą samą stroną. Chrysalis musiał mieć podobną wielkość i budowę. (fot. NASA)

Momenty przełomu

Pomysł na powiązanie nachylenia osi Saturna z oddziaływaniem Neptuna wypłynął wśród astronomów już na samym początku XXI wieku, jednak obserwacje poczynione przez sondę Cassini w latach 2004-2017 doprowadziły do zmiany tego poglądu. Odkryto, że największy księżyc Saturna - Tytan oddala się od planety szybciej niż oczekiwano, z prędkością około 11 centymetrów rocznie. Stąd pojawił się wniosek, że to właśnie Tytan jest odpowiedzialny za utrzymanie synchronizacji z Neptunem i przechył osi planety. Potwierdzić tę hipotezę mogło odkrycie jednej niewiadomej. Momentu bezwładności Saturna.

Profesor Jack Wisdom z MIT, główny autor badania opisuje w jaki sposób zespół doszedł do obecnych wniosków. Podczas ostatnich obserwacji dokonywanych przez Cassini, kiedy sonda wykonała niezwykle niskie podejście wykonano precyzyjne mapowanie pola grawitacyjnego Saturna. Odczyt taki można wykorzystać do określenia rozkładu masy w planecie.

Zespół astronomów wymodelował wnętrze Saturna i dokładnie zidentyfikował rozkład masy , który odpowiadał odczytanemu polu grawitacyjnemu. Pozwoliło to precyzyjnie nakreślić moment bezwładności planety, którysytuował Saturna bardzo blisko, ale już poza strefą rezonansu z Neptunem. Planety mogły być wcześniej zsynchronizowane, ale tę synchronizację utraciły. Zaskoczyło to zespół Wisdoma i skłoniło do zastanowienia się nad sposobem w jaki Saturn opuścił wpływ swojego sąsiada. Tak zrodziła się koncepcja zaginionego księżyca.

Symulacje Wisdoma i jego kolegów pozwoliły określić właściwości Chrysalisa, jednak jak każda hipoteza, będzie ona wymagała potwierdzenia przez innych naukowców. Być może w niedługiej przyszłości dostaniemy potwierdzenie na istnienie w przeszłości poczwarki, która doczekawszy się utraty swojej stabilności rozwinęła się do widowiskowej niczym motyl formy pierścieni Saturna.

Źródło: technology.org