Kredit:CC0 Public Domain
Saturnus ringar snurrar runt planetens ekvator och är ett dödsmärke att planeten snurrar i en lutning. Den bältade jätten roterar i en 26,7-graders vinkel i förhållande till planet där den kretsar runt solen. Astronomer har länge misstänkt att denna lutning kommer från gravitationsinteraktioner med sin granne Neptunus, eftersom Saturnus lutning precesserar, som en snurra, i nästan samma hastighet som Neptunus omloppsbana.
Men en ny modellstudie av astronomer vid MIT och på andra håll har funnit att medan de två planeterna en gång kan ha varit synkroniserade, har Saturnus sedan undkommit Neptunus drag. Vad var ansvarigt för denna planetariska omställning? Teamet har en noggrant testad hypotes:en saknad måne.
I en studie som visas i Science , föreslår teamet att Saturnus, som idag är värd för 83 månar, en gång hyste minst en till, en extra satellit som de kallar Chrysalis. Tillsammans med sina syskon, föreslår forskarna, Chrysalis kretsade runt Saturnus i flera miljarder år och drog och drog i planeten på ett sätt som höll dess lutning, eller "sned" i resonans med Neptunus.
Men för cirka 160 miljoner år sedan, uppskattar teamet, blev Chrysalis instabil och kom för nära sin planet i ett betesmöte som drog isär satelliten. Förlusten av månen var tillräckligt för att ta bort Saturnus från Neptunus grepp och lämna den med dagens lutning.
Dessutom antar forskarna att även om det mesta av Chrysalis sönderslagna kropp kan ha träffat Saturnus, kunde en bråkdel av dess fragment ha förblivit svävande i omloppsbana och så småningom bryts upp i små isiga bitar för att bilda planetens signaturringar.
Den saknade satelliten kan därför förklara två långvariga mysterier:Saturnus nuvarande lutning och åldern på dess ringar, som tidigare uppskattades vara cirka 100 miljoner år gamla – mycket yngre än själva planeten.
"Precis som en fjärils puppa var den här satelliten länge vilande och blev plötsligt aktiv, och ringarna dök upp", säger Jack Wisdom, professor i planetvetenskap vid MIT och huvudförfattare till den nya studien.
Studiens medförfattare inkluderar Rola Dbouk vid MIT, Burkhard Militzer från University of California i Berkeley, William Hubbard vid University of Arizona, Francis Nimmo och Brynna Downey från University of California i Santa Cruz och Richard French från Wellesley College.
Ett ögonblick av framsteg
I början av 2000-talet lade forskare fram idén att Saturnus lutande axel är ett resultat av att planeten är instängd i en resonans, eller gravitationsassociation, med Neptunus. Men observationer tagna av NASA:s rymdfarkost Cassini, som kretsade runt Saturnus från 2004 till 2017, satte en ny vändning på problemet. Forskare fann att Titan, Saturnus största satellit, migrerade bort från Saturnus med ett snabbare klipp än förväntat, med en hastighet av cirka 11 centimeter per år. Titans snabba migration och dess gravitationskraft fick forskare att dra slutsatsen att månen troligen var ansvarig för att luta och hålla Saturnus i resonans med Neptunus.
Men denna förklaring beror på en viktig okänd:Saturnus tröghetsmoment, vilket är hur massan är fördelad i planetens inre. Saturnus lutning kan bete sig annorlunda, beroende på om materia är mer koncentrerad i sin kärna eller mot ytan.
"För att göra framsteg med problemet var vi tvungna att bestämma tröghetsmomentet för Saturnus," säger Wisdom.
Det förlorade elementet
I sin nya studie försökte Wisdom och hans kollegor fastställa Saturnus tröghetsmoment med hjälp av några av de sista observationerna som Cassini gjorde i sin "Grand Finale", en fas av uppdraget under vilken rymdfarkosten gjorde en extremt nära inställning till exakt kartläggning gravitationsfältet runt hela planeten. Gravitationsfältet kan användas för att bestämma massfördelningen i planeten.
Wisdom och hans kollegor modellerade Saturnus inre och identifierade en massfördelning som matchade gravitationsfältet som Cassini observerade. Överraskande fann de att detta nyligen identifierade tröghetsmoment placerade Saturnus nära, men strax utanför, resonansen med Neptunus. Planeterna kan ha varit synkroniserade en gång, men är det inte längre.
"Sedan gick vi på jakt efter sätt att få Saturnus ur Neptunus resonans", säger Wisdom.
Teamet genomförde först simuleringar för att utveckla Saturnus och dess månars omloppsdynamik bakåt i tiden, för att se om någon naturlig instabilitet bland de befintliga satelliterna kunde ha påverkat planetens lutning. Den här sökningen blev tom.
Så forskarna undersökte om de matematiska ekvationerna som beskriver en planets precession, vilket är hur en planets rotationsaxel förändras över tiden. En term i denna ekvation har bidrag från alla satelliter. Teamet resonerade att om en satellit tas bort från denna summa kan det påverka planetens precession.
Frågan var, hur massiv skulle den satelliten behöva vara, och vilken dynamik skulle den behöva genomgå för att ta Saturnus ur Neptunus resonans?
Wisdom och hans kollegor körde simuleringar för att bestämma egenskaperna hos en satellit, såsom dess massa och omloppsradie, och den orbitala dynamik som skulle krävas för att slå ut Saturnus ur resonansen.
De drar slutsatsen att Saturnus nuvarande lutning är resultatet av resonansen med Neptunus och att förlusten av satelliten Chrysalis, som var ungefär lika stor som Iapetus, Saturnus tredje största måne, tillät den att undkomma resonansen.
Någon gång för mellan 200 och 100 miljoner år sedan gick Chrysalis in i en kaotisk omloppszon, upplevde ett antal nära möten med Iapetus och Titan och kom så småningom för nära Saturnus, i ett betesmöte som slet satelliten i bitar och lämnade en liten bråkdel kvar. att cirkla runt planeten som en skräpbeströdd ring.
Förlusten av Chrysalis, fann de, förklarar Saturnus precession och dess nuvarande lutning, såväl som den sena bildandet av dess ringar.
"Det är en ganska bra historia, men som alla andra resultat måste den undersökas av andra," säger Wisdom. "Men det verkar som att den här förlorade satelliten bara var en puppa som väntade på att få sin instabilitet." + Utforska vidare
