Bildandet av Atlas, en av Saturnus små inre månar. Det är platt, Den ravioliliknande formen är resultatet av en sammansmältande kollision mellan två lika stora kroppar. Bilden är en ögonblicksbild i mitten av kollision, innan månens omorientering på grund av tidvatten är klar. Kredit:A. Verdier
Saturnus små inre månar ser ut som jätteravioli och spaetzle. Deras spektakulära form har avslöjats av rymdfarkosten Cassini. För första gången, forskare vid universitetet i Bern visar hur dessa månar bildades. De säregna formerna är ett naturligt resultat av sammanslagna kollisioner mellan små månar av samma storlek som datorsimuleringar visar.
När Martin Rubin, astrofysiker vid universitetet i Bern, såg bilderna av Saturnus månar Pan och Atlas på internet, han var förbryllad. Närbilderna som togs av rymdfarkosten Cassini i april 2017 visade föremål som NASA i sitt pressmeddelande beskrev som flygande tefat med en diameter på cirka 30 km. Med sina stora åsar och lökformiga centrum, Pan och Atlas liknade också jätteravioli. Martin Rubin undrade hur dessa märkliga föremål hade bildats och frågade sin kollega Martin Jutzi om de kunde vara resultatet av kollisioner, liknande den som bildade kometen Chury som Jutzi hade visat tidigare med datorsimuleringar.
Martin Jutzi och Adrien Leleu, båda medlemmarna av NCCR PlanetS, tog utmaningen att beräkna bildningsprocessen för Saturnus små inre månar. Den första, enkla tester fungerade bra. "Men då, vi tog tidvattenkrafterna i beaktande och problemen hopade sig, " minns Adrien Leleu. "Förhållandena nära Saturnus är mycket speciella, " bekräftar Martin Jutzi. Eftersom Saturnus har 95 gånger mer massa än jorden och de inre månarna kretsar runt planeten på ett avstånd av mindre än halva avståndet mellan jorden och månen, tidvattnet är enormt och drar isär nästan allt. Därför, Saturnus inre månar kunde inte ha bildats med dessa märkliga former genom gradvis ansamling av material runt en enda kärna. En alternativ modell som kallas pyramidregimen antyder att dessa månar bildades av en serie sammanslagningar av små månar av samma storlek.
Den översta raden visar 3 små månar av Saturnus avbildade av rymdfarkosten Cassini. Längst ner visas modellens resultat. Simuleringarna återger inte bara formerna, men kan också förklara varför åsarna på Pan och Atlas ser annorlunda ut än resten av deras kroppar:De är gjorda av slätt material som pressades ut under sammanslagningsprocessen. Sprickor på huvudkroppen kan vara resultatet av dragspänningar orsakade av deformationen av de sammanslagna föremålen. Den modellerade Prometheus-liknande månen visar samma spetsar i båda ändarna som på Cassini-bilderna. Kredit:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/University of Bern
Efter att ha löst sina initiala problem, forskarna kunde verifiera pyramidregimen, men ännu mer:De visade att månarnas kollisioner resulterade i exakt de former som Cassini avbildade. Nära frontalsammanslagningar leder till tillplattade föremål med stora ekvatoriska åsar, som observerats på Atlas och Pan. Med något mer snedställda anslagsvinklar, kollisioner resulterade i långsträckta spaetzle-liknande former som nära liknade den 90 km långa månen Prometheus när den fotograferades av Cassini.
Den översta bilden visar Saturnus stora måne Iapetus som observerats av Cassini. Den har en oblate sfäroid form och en ekvatorial ås. Nederst:Resultatet av simuleringen av en frontal sammanslagning av två lika stora kroppar med hälften av massan av Iapetus. Kredit:NASA/JPL/Space Science Institute/University of Bern
Frontalkollisioner har hög sannolikhet
Baserat på månarnas nuvarande omloppsbana och deras omloppsmiljö, forskarna kunde uppskatta att anslagshastigheterna var i storleksordningen några 10 m/s. Simulering av kollisioner i detta område för olika islagsvinklar, de fick olika stabila former som liknar ravioli och spaetzle, men endast för låga anslagsvinklar. "Om islagsvinkeln är större än tio grader, de resulterande formerna är inte stabila längre, " säger Adrien Leleu. Alla ankformade föremål som kometen Chury skulle falla sönder på grund av Saturnus tidvatten. "Det är därför Saturnus små månar ser väldigt annorlunda ut än kometer som ofta har tvåfliga former, " förklarar Martin Jutzi.
Intressant, frontalkrockarna är inte så sällsynta som man kan tro. De små inre månarna tros härstamma från Saturnus ringar, en tunn skiva placerad i planetens ekvatorialplan. Eftersom Saturnus inte är en perfekt sfär utan snarare oblat, det gör det svårt för något föremål att lämna detta smala plan. Så, frontalkrockar är frekventa och islagsvinkeln tenderar att bli ännu lägre vid efterföljande möten. "En betydande del av sådana sammanslagna kollisioner äger rum antingen vid det första mötet eller efter 1-2 hit-and-run-händelser, ", sammanfattar författarna i sin tidning som publicerades idag i Natur astronomi . "I det här avseendet, Saturnus är nästan ett leksakssystem för att studera dessa processer, säger Martin Rubin.
Även om forskarna främst fokuserade på Saturnus små inre månar, de hittade också en möjlig förklaring till ett långvarigt mysterium angående Saturnus tredje största måne vid namn Iapetus. Varför har Iapetus en oblate form och en distinkt ekvatorial ås? "Våra modelleringsresultat tyder på att dessa egenskaper kan vara ett resultat av en sammanslagning av månar av liknande storlek som äger rum med en islagsvinkel nära frontal, liknande de mindre månarna, " sammanfattar forskarna.
