Med jordiska mått mätt, Saturnus måne Titan är en märklig plats. Större än planeten Merkurius, Titan är insvept i en tjock atmosfär (det är den enda månen i solsystemet som har en) och täckt av floder och hav av flytande kolväten som metan och etan. Under dessa finns en tjock skorpa av vattenis, och under det kan finnas ett flytande vattenhav som potentiellt kan hysa liv.

Nu, årtionden av mätningar och beräkningar har avslöjat att Titans bana runt Saturnus expanderar – vilket betyder, månen kommer längre och längre bort från planeten – i en takt som är ungefär 100 gånger snabbare än väntat. Forskningen tyder på att Titan föddes mycket närmare Saturnus och migrerade ut till sitt nuvarande avstånd på 1,2 miljoner kilometer (cirka 746, 000 miles) över 4,5 miljarder år.

Fynden beskrivs i en artikel som publiceras i tidskriften Natur astronomi den 8 juni.

"De flesta tidigare arbeten hade förutspått att månar som Titan eller Jupiters måne Callisto bildades på ett omloppsavstånd liknande där vi ser dem nu, " säger Caltechs Jim Fuller, biträdande professor i teoretisk astrofysik och medförfattare till den nya uppsatsen. "Detta innebär att det Saturniska månsystemet, och eventuellt dess ringar, har bildats och utvecklats mer dynamiskt än man tidigare trott."

För att förstå grunderna för orbital migration, vi kan se till vår egen måne. Jordens måne utövar en liten gravitationskraft på planeten när den kretsar. Det är detta som orsakar tidvatten:månens rytmiska drag får jordens hav att bukta från sida till sida. Friktionsprocesser inuti jorden omvandlar en del av denna energi till värme, förvränger jordens gravitationsfält så att det drar månen framåt i sin bana. Detta gör att månen får energi och gradvis rör sig längre bort från jorden, med en hastighet av cirka 3,8 centimeter per år. Denna process är verkligen gradvis, fastän; Jorden kommer inte att "förlora" månen förrän både jorden och månen är uppslukade av solen om ungefär sex miljarder år.

Titan utövar en liknande dragning på Saturnus, men friktionsprocesserna inuti Saturnus anses vanligtvis vara svagare än de inom jorden på grund av Saturnus gasformiga sammansättning. Standardteorier förutspår att, på grund av dess avstånd från Saturnus, Titan bör migrera bort i en långsam takt på högst 0,1 centimeter per år. Men de nya resultaten motsäger denna förutsägelse.

I arbetet som beskrivs i Nature Astronomy paper, två team av forskare använde var sin teknik för att mäta Titans omloppsbana under en period av 10 år. En teknik, kallas astrometri, producerade exakta mätningar av Titans position i förhållande till bakgrundsstjärnor i bilder tagna av rymdfarkosten Cassini. Den andra tekniken, radiometri, mätte Cassinis hastighet eftersom den påverkades av gravitationspåverkan från Titan.

"Genom att använda två helt oberoende datamängder - astrometriska och radiometriska - och två olika analysmetoder, vi fick resultat som är helt överens, " säger studiens första författare, Valéry Lainey tidigare från JPL (som Caltech förvaltar för NASA), nu av Paris Observatory, PSL universitet. Lainey arbetade med astrometriteamet.

Resultaten överensstämmer också med en teori som föreslagits 2016 av Fuller, som förutspådde att Titans migrationshastighet skulle vara mycket snabbare än standard tidvattenteorier uppskattade. Hans teori noterar att Titan förväntas pressa Saturnus genom gravitation med en speciell frekvens som får planeten att svänga kraftigt, liknande hur att svänga benen på en gunga med rätt timing kan driva dig högre och högre. Denna process av tidvattenkraft kallas resonanslåsning. Fuller föreslog att den höga amplituden av Saturnus oscillation skulle försvinna mycket energi, vilket i sin tur skulle få Titan att migrera utåt bort från planeten i en snabbare takt än tidigare trott. Verkligen, observationerna fann båda att Titan migrerar bort från Saturnus med en hastighet av 11 centimeter per år, mer än 100 gånger snabbare än tidigare teorier förutspått.

"Resonanslåsningsteorin kan tillämpas på många astrofysiska system. Jag gör nu lite teoretiskt arbete för att se om samma fysik kan hända i binära stjärnsystem, eller exoplanetsystem, säger Fuller.

Uppsatsen har titeln "Resonanslåsning i gigantiska planeter indikerad av Titans snabba omloppsutvidgning."