Если бы мы могли повернуть часы назад на миллиарды лет, мы увидели бы нашу Солнечную систему такой, какой она была раньше. Планетезимали и другие каменистые тела постоянно сталкивались друг с другом, и из обломков образовывались новые объекты. Астероиды обрушивались на планеты и их спутники. Газовые гиганты мигрировали и способствовали хаосу, разрушая гравитационные связи и создавая новые. Даже спутники и лунные спутники были бы частью каскада столкновений и столкновений.
Когда природа помещает достаточное количество объектов в достаточно маленькое пространство, она порождает столкновения. Новое исследование показывает, что именно это произошло с Сатурном и привело к появлению на планете впечатляющих колец.
Исследование называется «Недавнее столкновение колец Сатурна и спутников среднего размера» и опубликовано в «Астрофизическом журнале». Ведущий автор — Луис Тодоров, научный сотрудник Школы физики и астрономии Университета Глазго.
Кольца Сатурна настолько знаковые, что их смогут узнать даже школьники. Астрономы долгое время ломали голову над ними, пытаясь выяснить, как и когда они образовались. Мы знаем, что они в основном сделаны изо льда, но прийти к единому мнению относительно их формирования было трудно.
В этом исследовании, проведенном НАСА и его партнерами, говорится, что причиной этого является столкновение двух ледяных лун, а обломки все еще кружат вокруг планеты.
Нам не нужно переводить время слишком далеко назад, чтобы обнаружить влияние, выявленное в исследовании. Это произошло всего несколько сотен миллионов лет назад, а может быть, даже позже. Исследовательская группа утверждает, что это было вызвано «резонансной нестабильностью в предыдущей спутниковой системе».
Исследование основано на детальном моделировании Сатурна и его системы спутников (у него 146 подтвержденных спутников) и колец.
Миссия НАСА «Кассини» заложила основу для этого исследования. Космический корабль провел в системе Сатурна более десяти лет. Одним из главных открытий было то, что кольца и спутники газового гиганта не очень стары с астрономической точки зрения. Более крупные из них, вероятно, старые, и их кратерированная поверхность является подсказкой об их возрасте. Но некоторые из меньших спутников планеты, вероятно, намного моложе.
В этом играет роль расстояние луны от своей планеты. Гравитационная борьба между планетой и ее спутником имеет тенденцию отталкивать спутники. Луна от Земли отступает на крошечную, но измеримую величину каждый год. Некоторые исследования показывают, что если бы спутники, ближайшие к кольцам Сатурна, были старыми, их бы уже оттолкнули. Поскольку они все еще здесь, они, должно быть, молоды.
Но все не так уж и сухо, потому что меньшие внутренние спутники также имеют кратерированную поверхность.
Так что Сатурн все еще остается загадкой.
Интригу добавляет наше увлечение ледяными лунами. Спутник Сатурна Энцелад, а также другие спутники, такие как Европа Юпитера, содержат обширные океаны под ледяными панцирями. Они являются главными целями в поисках жизни, поэтому их история имеет повышенное значение. Если два из них столкнулись, образовав кольца Сатурна, что все это значит?
«Мы еще очень многого не знаем о системе Сатурна, в том числе о ее спутниках, на которых существует среда, которая может быть пригодна для жизни», — сказал Джейкоб Кегеррайс, научный сотрудник Исследовательского центра Эймса НАСА и один из соавторов статьи. «Поэтому интересно использовать подобные большие симуляции, чтобы детально изучить, как они могли развиваться».
Существует множество исследований колец Сатурна. Одно исследование, проведенное в 2022 году, показало, что между Япетом и Титаном когда-то существовала еще одна луна. Присутствие Луны помогло системе Сатурна сформировать резонанс с Нептуном, что привело к наклону Сатурна. Когда система стала более дестабилизированной, Луна задела Сатурн, мощная гравитация планеты разорвала его на куски, а обломки образовали ледяные кольца, одновременно выбивая Сатурн из резонанса. Эти данные подтверждают молодой возраст колец Сатурна, возможно, всего 100 миллионов лет.
Это новое исследование проводится в том же духе, но вместо того, чтобы Сатурн разорвал на части одну луну, две луны испытывают высокоскоростной удар, который уничтожает их обоих.
Исследователи выполнили моделирование с помощью мощной системы распределенных исследований с использованием суперкомпьютерного центра Advanced Computing (DiRAC) в Институте вычислительной космологии Даремского университета в Великобритании. Он посвящен физике элементарных частиц, астрономии и космологии. Команда использовала мощный компьютер для моделирования столкновений между спутниками-предшественниками в системе Сатурна.
Предел Роша регулирует важнейшую часть взаимоотношений между планетой и ее спутниками. Это минимальное расстояние, на которое луна может приблизиться к своей планете, не будучи разорванной гравитацией планеты. Кольца Сатурна находятся внутри предела Роша, а за его пределами из обломков могут образовываться планеты. Таким образом, обломки за пределом Роша долго не продержатся, потому что материал, скорее всего, объединится в новые луны.
Согласно этому исследованию, именно это и произошло. Древнее столкновение двух лун создало ливень обломков внутри Предела Роша Сатурна. Мощная гравитация массивной планеты не позволила обломкам сформировать новую луну, поэтому обломки образовали кольца. Команда выполнила почти 200 смоделированных столкновений, каждое из которых имело разную массу, скорость и угол удара. Во многих сценариях материал образовал кольца вокруг Сатурна, внутри его Предела Роша.
«Этот сценарий естественным образом приводит к образованию богатых льдом колец», — сказал Винсент Эке, доцент кафедры физики/Института вычислительной космологии Даремского университета и соавтор статьи. «Когда ледяные спутники-прародители сталкиваются друг с другом, скальные породы в ядрах сталкивающихся тел рассеиваются не так широко, как покрывающий их лед».
Это сильная сторона исследования. Ледяные луны по-прежнему имеют каменное ядро, и другие сценарии не могут объяснить, почему в кольцах Сатурна почти нет камней. Моделирование показывает, что лишь незначительное количество камней в результате столкновений попадает внутрь Предела Роша, что соответствует ледяной природе колец Сатурна.
Это был бы беспорядочный процесс, который со временем разыгрался бы. Исследование показывает, что в результате столкновения могло образоваться много обломков, которые повлияли бы на другие спутники, что могло привести к каскадам столкновений.
«Кроме того, масса материала, превышающая массу Мимаса, а в некоторых случаях даже больше, чем масса Энцелада, помещается на пересекающиеся орбиты с современными Мимасом, Энцеладом и Тефией (и Титаном), что способствует возможности каскада столкновений, дальнейшее распространение материала по системе», — говорится в документе.
Потребовалось бы много времени, чтобы все уладилось. Но что послужило причиной этого?
Все во Вселенной находится в движении, и каждый объект оказывает гравитационное воздействие на другие объекты. В нашей Солнечной системе доминирует масса Солнца. Таким образом, хотя Сатурн находится на расстоянии почти 1,5 миллиарда километров (932 миллиона миль) от Солнца, гравитация звезды все еще влияет на ситуацию.
Гравитационное воздействие Солнца на таком расстоянии невелико, но оно может накапливаться в результате орбитальных резонансов. В конце концов ситуация может дестабилизироваться, и спутники сместятся со своих круговых орбит на вытянутые и наклонные орбиты. Сатурн богат спутниками, поэтому пересечение их орбит — лишь вопрос времени, что приводит к высокоскоростному столкновению и образованию облака, состоящего в основном из ледяных обломков.
Спутник Сатурна Рея может что-то рассказать нам об этом сценарии столкновения. Это второй по величине спутник Сатурна, и его орбита значительна. Это как раз за пределами той точки, где орбитальные резонансы могли бы на него повлиять. Поскольку спутники имеют тенденцию удаляться от своих планет, Рея должна была недавно пересечь этот порог резонансного выселения. Это нарушило бы его орбиту, но его орбита круглая и плоская. Это подтверждает недавнее формирование Луны.
Но если Рея образовалась недавно, это омрачает некоторые наши представления о ледяном спутнике Сатурна Энцеладе и его потенциале для жизни. Сколько лет Энцеладу? Образовалась ли она всего несколько сотен миллионов лет назад, а может быть, даже позже? Если так, то этого времени недостаточно для появления жизни, насколько мы ее понимаем.
Сатурн, его кольца и спутники представляют собой увлекательную систему. Здесь действует так много факторов, что ученые изо всех сил пытаются найти однозначные объяснения. Миссия Кассини показала нам, что кольца, вероятно, намного моложе, чем предполагалось, где-то между 10 и 100 миллионами лет. Эти симуляции подтверждают эту идею, хотя и не являются окончательными.
«Мы приходим к выводу, что воздействие двух дестабилизированных ледяных лун является многообещающим сценарием недавнего формирования или омоложения колец Сатурна и повторной аккреции спутников среднего размера», — говорят исследователи в своем заключении.
Но необходимы дополнительные исследования, прежде чем мы сможем исключить другие сценарии.
«Будущая работа по долгосрочной эволюции обломков, пересекающих орбиту, в сочетании с дальнейшим и более детальным моделированием столкновений между ледяными лунами и более мелкими фрагментами поможет ограничить последствия этого сценария для колец Сатурна, его спутников, их кратеры и другие поверхностные среды», — пишут они.
