En konstnärs intryck av en satellit som bildas runt en gigantisk gasplanet som i sig fortfarande formas runt en stjärna. Kredit:Nagoya University
Numeriska simuleringar visar att temperaturgradienten i gasskivan runt en ung gasjätteplanet kan spela en avgörande roll i utvecklingen av ett satellitsystem som domineras av en enda stor måne, liknande Titan i Saturnussystemet. Forskare fann att damm i den cirkumplanetära skivan kan skapa en "säkerhetszon" som hindrar månen från att falla in i planeten när systemet utvecklas.
Astronomer tror att många av månarna vi ser i solsystemet, speciellt stora månar, bildas tillsammans med moderplaneten. I detta scenario, månar bildas av gasen och stoftet som snurrar runt den fortfarande bildade planeten. Men tidigare simuleringar har resulterat i att antingen alla stora månar faller in i planeten och slukas upp, eller flera stora månar kvar. Situationen observerad kring Saturnus, med många små månar men bara en stor måne, passar inte i någon av dessa modeller.
Yuri Fujii, en utsedd biträdande professor vid Nagoya University, och Masahiro Ogihara, en projektassistent vid National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), skapat en ny modell av cirkumplanetära skivor med en mer realistisk temperaturfördelning genom att överväga flera källor till opacitet, inklusive damm och is. Sedan simulerade de månarnas omloppsvandring, med hänsyn till faktorer inklusive tryck från skivgas och gravitationen hos andra satelliter.
Deras simuleringar visar att det finns en "säkerhetszon" där en måne trycks bort från planeten. I detta område, varmare gas inne i omloppsbanan trycker satelliten utåt och hindrar den från att falla in i planeten.
Simuleringsresultat som visar omloppsradien mot tiden för 7 hypotetiska månar med Titanmassa. Allt eftersom simuleringen fortskrider, nästan alla dessa satelliter faller in i planeten, dock, enbart den yttersta satelliten överlever tills skivgasen försvinner. Denna satellit befinner sig tillfälligt i "säkerhetszonen". Kredit:Fujii &Ogihara, A&A, 2020
Ett scenario för bildandet av en enda stor måne. (1) När en planet bildas, en skiva som innehåller gas och damm roterar runt planeten. Fast material kondenserar i denna skiva. (2) Fasta komponenter växer till storleken av satelliten i den cirkumplanetära skivan. Simuleringarna i denna forskning startade från detta stadium. (3) Banorna för dessa satelliter i skivan förändras gradvis på grund av gasens inverkan. Många satelliter närmar sig planeten medan de kretsar, och så småningom falla in på planeten. Dock, en satellit med en bana i en "säkerhetszon" faller inte in i planeten, men håller sitt avstånd från planeten. (4) När gasen i skivan försvinner, satelliten som överlever i "säkerhetszonen" kommer att förbli i en stabil omloppsbana till slutet. Kredit:NAOJ
"Vi visade för första gången att ett system med bara en stor måne runt en gigantisk planet kan bildas, " säger Fujii. "Detta är en viktig milstolpe för att förstå ursprunget till Titan."
Dock, Ogihara säger, "Det skulle vara svårt att undersöka om Titan faktiskt upplevde den här processen. Vårt scenario skulle kunna verifieras genom forskning av satelliter runt extrasolära planeter. Om många system med enstaka exomoner hittas, bildandet av sådana system kommer att bli en glödhet fråga."
Studien, med titeln "Bildandet av enmånssystem runt gasjättar, " publicerades i Astronomi och astrofysik i mars 2020. Simuleringarna i denna forskning använde PC-klustret som drivs av NAOJ.
