"Kan månar ha månar?"

Denna enkla fråga – som ställdes av den fyraårige sonen till Carnegies Juna Kollmeier – startade allt. Inte långt efter denna första läggdagsfråga, Kollmeier samordnade ett program vid Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) på Vintergatan medan hennes engångsklasskompis Sean Raymond från Université de Bordeaux deltog i ett parallellt KITP-program om dynamiken hos jordliknande planeter. Efter att ha diskuterat denna mycket enkla fråga på ett seminarium, de två gick samman för att lösa det. Deras resultat är grunden för en artikel publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .

Duon startade en eldstorm på internet i slutet av förra året när de publicerade ett utkast till sin artikel som undersökte möjligheten att månar kretsar runt andra månar på en preprint-server för fysik- och astronomimanuskript.

Onlinekonversationen var besatt av den bästa termen för att beskriva sådana fenomen med alternativ som månar och minimånar som kastades in i mixen. Men nomenklaturen var inte poängen med Kollmeier och Raymonds undersökning (även om de föredrar submoons). Snarare, de tänkte definiera de fysiska parametrarna för månar som skulle kunna kretsas stabilt av andra, mindre månar.

"Planeter kretsar runt stjärnor och månar kretsar runt planeter, så det var naturligt att fråga om mindre månar kunde kretsa kring större, " förklarade Raymond.

Deras beräkningar visar att endast stora månar på breda banor från deras värdplaneter kunde vara värd för submånar. Tidvattenkrafter från både planeten och månen verkar för att destabilisera banorna för submånar som kretsar kring mindre månar eller månar som är närmare deras värdplanet.

De fann att fyra månar i vårt eget solsystem är teoretiskt kapabla att hysa sina egna satellitsubmånar. Jupiters måne Callisto, Saturnus månar Titan och Iapetus, och jordens egen måne passar alla räkningen av en satellit som kan vara värd för sin egen satellit, även om inga har hittats hittills. Dock, de tillägger att ytterligare beräkningar behövs för att ta itu med möjliga källor till instabilitet under månen, såsom den ojämna koncentrationen av massa i vår månskorpa.

"Avsaknaden av kända undermånar i vårt solsystem, till och med kretsar runt månar som teoretiskt skulle kunna stödja sådana objekt, kan ge oss ledtrådar om hur våra egna och närliggande planeter bildades, som det fortfarande finns många olösta frågor om, Kollmeier förklarade.

Månarna som kretsar kring Saturnus och Jupiter tros ha fötts från skivan av gas och stoft som omger gasjätteplaneter i de senare stadierna av deras bildande. Vår egen måne, å andra sidan, tros ha sitt ursprung i efterdyningarna av ett gigantiskt nedslag mellan den unga jorden och en kropp i Marsstorlek. Bristen på stabila undermånar kan hjälpa forskare att bättre förstå de olika krafterna som formade satelliterna vi ser.

Kollmeier tillade:"och, självklart, detta kan informera om pågående ansträngningar för att förstå hur planetsystem utvecklas på andra håll och hur vårt eget solsystem passar in i de tusentals andra som upptäckts av planetjaktsuppdrag."

Till exempel, den nyligen upptäckta möjliga exomånen som kretsar kring Kepler 1625b i Jupiterstorlek har rätt massa och avstånd från sin värd för att stödja en undermåne, Kollmeier och Raymond hittade. Fastän, den antagna lutningen av dess omloppsbana kan göra det svårt för ett sådant objekt att förbli stabilt. Dock, att upptäcka en submoon runt en exomoon skulle vara mycket svårt.

Med tanke på spänningen kring sökningar efter potentiellt beboeliga exoplaneter, Kollmeier och Raymond beräknade att det bästa scenariot för liv på stora undermånar är runt massiva stjärnor. Även om det är extremt vanligt, små röda dvärgstjärnor är så svaga och deras beboeliga zoner så nära att tidvattenkrafterna är mycket starka och undermånar (och ofta även månar själva) är instabila.

Till sist, författarna påpekar att en konstgjord submåne kan vara stabil och därmed fungera som en tidskapsel eller utpost. På en stabil bana runt månen – som den för NASA:s föreslagna Lunar Gateway – skulle en undermåne hålla mänsklighetens skatter säkra för eftervärlden långt efter att jorden blivit olämplig för liv. Kollmeier och Raymond är överens om att det finns mycket mer arbete att göra (och roligt att göra) för att förstå submoons (eller bristen på sådana) som en stenig uppteckning av planet-månsystemens historia.