Загадка лун Юпитера: как далекие экзопланеты помогают ее решать
Четыре крупнейших спутника Юпитера: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто видно с Земли даже в любительский телескоп. Диаметры от 3 до 5 тысяч километров позволили впервые обнаружить их уже в 1610 году. Четверку открыл Галилео Галилей, потому спутники так и называются — галилеевы. Остальные 75 известных лун планеты-гиганта существенно меньше. Размеры самых крупных из них не превышают пары сотен километров. Больше половины юпитерианских лун при этом имеют диаметры 2-4 километра.
Как масса, вращающаяся по орбите Юпитера, распределилась между множеством спутников? Почему столь неравномерно?
За два столетия было построено немало теорий образования Солнечной системы: планет и спутников. Многие теории хорошо описывали реальность, как художники, что превосходно владеют единственной техникой рисунка — карандашной. Представьте такого мастера, который впервые забрел в современный художественный салон. Масляные, акварельные краски, гуашь; синтетические, беличьи, колонковые кисти; цветные пастельные мелки, уголь, маркеры, тушь — столько нового, и ничем из этого художник не умеет рисовать.
Теории образования Солнечной системы не сработали на сотнях экзопланет, открытых в последние десятилетия. С художником, пытающимся наточить кисть или наложить тонкую штриховку пастелью, произошло бы примерно то же. Но любой инструмент и материал со временем сами подскажут пытливому мастеру, как с их помощью создать шедевр. Каким же образом недавно открытые экзопланеты помогли астрономам из Калифорнийского технологического института создать на основе старых знаний новую теорию, прекрасно описывающую образование спутников далеких планет и таких знакомых нам Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто?
Наблюдение за звездными системами с экзопланетами позволило увидеть события, которые, вероятно, происходили в Солнечной системе в прошлом. В 2019 году астрономы наткнулись на первый пример лунообразующего диска, вращающегося вокруг экзопланеты. Явление было зафиксировано в системе PDS 70, находящейся за 370 световых лет от Солнца. Затем, в том же году, в системе HD 163296 ученые обнаружили признаки газа, циркулирующего через систему так, как предсказывала новая теория.
Компьютерное моделирование, осуществленное с помощью теоретических описаний и эмпирических данных, настолько хорошо совпало с реальностью, что ученые сначала не поверили и тут же запустили расчет еще раз. Результат повторился, а исследование угодило в журнал The Astrophysical Journal.
В своей работе команда под руководством Константина Батыгина предположила, что спутники Юпитера образовались из частиц ледяной пыли размерами от 0,1 до 10 миллиметров. Эти частицы остались от глобальной «стройки» объектов звездной системы. Пылинки «строительного мусора» спокойно дрейфовали между новенькими планетами, пока не попадали случайно в диск из газа вокруг юного Юпитера.
Ледяная пыль со временем накопилась в газовом диске. Частицы стали сталкиваться и слипаться чаще, пока не сформировали огромное количество тел шириной около 100 километров. Каждое из этих тел находилось в центре облака из пыли и газа, продолжая набирать массу «изнутри наружу». Плотное «ядро» будущего спутника вращалось вокруг своей оси и увлекало за собой пыль и газ, внешне напоминая спиральную галактику с рукавами. За эти торчащие «рукава» Юпитер и притянул к себе четыре галилеевых спутника по мере их превращения в полноценные луны.
Ближайшие спутники Ио и Европа сформировались всего за 6000 лет. Следующий по дальности Ганимед образовался примерно за 30 000 лет. Каллисто повезло чуть меньше. Когда пришел его черед расти, и будущий спутник набрал половину окончательной массы за 50 000 тысяч лет, Солнце не на шутку разгорелось и испарило большую часть газа и ледяной пыли вокруг Юпитера. Потребовалось почти 9 миллионов лет, чтобы накопить остаток массы.
Детальное понимание того, как сформировались спутники Юпитера, поможет в разы улучшить представление о физических процессах на их поверхности. Так, ученые скорее дадут ответ: подходят ли ледяные луны Юпитера для колонизации какими-либо формами жизни, в том числе, человеком.