Чтобы создать большую луну, начните с маленькой планеты

В соревновании о том, у какой планеты Солнечной системы относительно большая луна, Земля получает приз. На Луну приходится примерно 1% массы Земли, в то время как спутники всех остальных луноносных планет — всех, кроме Меркурия и Венеры — меньше десяти тысяч масс своих планет. (Спутник Плутона Харон составляет 12% его массы, но Плутон, к сожалению, не планета.)

«Мы считаем, что гигантское столкновение — очень эффективный способ частичного формирования больших спутников», — сказал Мики Накадзима, планетолог из Университета Рочестера в Нью-Йорке. Крупные столкновения считаются обычным явлением в хаосе все еще формирующейся Солнечной системы, но если бы все гигантские столкновения образовывали частично большие спутники, наша Солнечная система была бы полна ими.

Что происходит, когда сталкиваются скалистые или ледяные планеты разного размера?

Так почему же Луна (ну и Харон тоже) такая относительно большая? Ответ на этот вопрос поможет планетологам лучше понять раннюю историю Земли и Луны, а также сузить поиск больших спутников вокруг экзопланет.

Используя компьютерное моделирование, Накадзима и ее коллеги исследовали, что происходит, когда потенциально скалистые или ледяные планеты всех размеров сталкиваются. Исследователи обнаружили, что после такого сильного удара только каменистые планеты с массой менее 6 масс Земли и ледяные планеты массой менее 1 массы Земли способны частично сформировать большую луну из обломков столкновения. Они опубликовали эти результаты в Связь с природой 1 февраля.

Рокки против Рокки, Айси против Айси

Разнообразие спутников в нашей Солнечной системе обусловлено разнообразием способов их образования. Некоторые спутники (например, галилеевские спутники Юпитера и Титан Сатурна) образовались на этом месте из диска материала, оставшегося с момента образования планеты-хозяина. Многие другие спутники, в том числе Марс, Фобос, Деймос, Тритон и Нептун, сформировались в других местах Солнечной системы и были захвачены своими планетами под действием гравитации. Насколько нам известно, Луна и Харон образовались только из обломков столкновения, когда столкнулись две малые планеты. Многие детали влияния формирования Луны, такие как размер, скорость и состав зонда, остаются предметом активных дискуссий в научном сообществе, но большинство ученых согласны с тем, что влияние действительно имело место.

Но что, если бы Земля или коллайдер были более массивными? Что, если вместо силиката и железа планета или коллайдер состоят в основном из льда? Сможет ли такая планета пережить столкновение и по-прежнему образовывать большую дробную луну? Охотники за планетами обнаружили десятки экзопланет, похожих на Землю, но не совсем похожих на Землю, и знание того, какие из этих планет, скорее всего, образуют большие обнаруживаемые экзолуны, поможет астрономам найти их.

В этой симуляции каменистый коллайдер массой 13% от массы Земли сталкивается с каменистой протопланетой массой 87% от массы Земли. Красно-оранжевые частицы — это форстерит из мантии тела. Темно-красные частицы имеют низкую энтропию или низкую термодинамическую энергию, а желтые и белые частицы имеют высокую энтропию. Серые частицы представляют собой ядро ​​железа. Поскольку осколки от удара содержали лишь небольшую часть летучих веществ, они смогли объединиться в частично большую луну. Авторы и права: Накадзима и др., 2022 г., https://doi.org/10.1038/s41467-022-28063-8.

Накадзима и его коллеги смоделировали столкновение двух каменистых протопланет с железным ядром и лесной мантией, а также двух ледяных протопланет с лесным ядром и мантией из водяного льда. В симуляциях две протопланеты стирают друг друга, распадаются на мелкие расплавленные частицы и газообразный пар, а затем превращаются во что-то новое. Накадзима объяснил, что они не испытали столкновения каменистой протопланеты с ледяной планетой, потому что это было бы гораздо менее вероятным сценарием. Варьируя массы сталкивающихся протопланет, исследователи могут определить, какого размера должна быть планета, чтобы образовать большую луну частично из обломков от столкновения, а также определить физику столкновения.

Моделирование показало, что каменистые планеты, более чем в 6 раз превышающие массу Земли и в 1,6 раза превышающие размер Земли, не могут сформировать большую луну частично из обломков столкновения (но все же могут образовывать гораздо меньшие луны). Ледяные планеты весом более 1 массы Земли или примерно 1,3 радиуса Земли не могут образовывать большие луны. Ниже этих массовых порогов планеты могли образовать луну, по крайней мере, в несколько процентов от массы планеты.

Ограничивающим фактором образования больших лун оказывается количество паров, как силикатных, так и водяных, в обломках удара. «Если диск, из которого состоит Луна, полностью состоит из пара, он не может быть местом для роста лун», — сказал Накадзима. В более массивных планетарных обломках большее количество пара быстро втягивает обломки удара обратно в планету, прежде чем они соберутся в луну, подобно обломкам, выброшенным бушующим морем. Для планет с меньшей массой более низкое содержание пара позволяет различным веществам притягиваться друг к другу и в конечном итоге образовывать большую луну.

В этой симуляции ледяной коллайдер массой 13% массы Земли сталкивается с ледяной протопланетой массой 87% массы Земли. Оба тела содержат ледяную мантию (синие частицы), состоящую из летучих веществ, и форестритовое ядро ​​(оранжево-красные частицы). Темные частицы имеют низкую энтропию или низкую термодинамическую энергию, а более яркие частицы имеют высокую энтропию. Из-за большого количества летучих обломки столкновения быстро попали на протопланету и не смогли слиться с Луной. Авторы и права: Накадзима и др., 2022 г., https://doi.org/10.1038/s41467-022-28063-8.

Где вы находите Exmoons

Прежде всего, эти симуляции согласуются с лунами, которые мы видим в нашей Солнечной системе, и согласуются с каноническим сценарием формирования луны: каменистая протопланета размером с Марс столкнулась с каменистой планетой размером с Землю в результате скольжения. Более того, эти симуляции помогут астрономам сузить поиск спутников экзопланет, ни одна из которых пока не подтверждена.

«Если это правда, я думаю, это может немного усложнить мою работу!»

«Это фантастический результат», — сказал Алекс Тейчи, астроном и охотник за спутниками из Института астрономии и астрофизики Academia Sinica в Тайбэе, Тайвань. Тичи не принимал участия в этом исследовании. «Для меня это имеет большой смысл, и всегда приятно видеть исследовательские работы, которые делают прогнозы относительно населения экзолуны, а не просто объясняют, что мы видим в нашей Солнечной системе… Но, конечно, нам не хватает чего-либо из этих средних Планеты Земля-Нептун, поэтому нам действительно нужно искать внешнюю луну, чтобы проверить это предсказание».

«Если это правда, я думаю, это может немного усложнить мою работу!» — сказал Тичи. «Поскольку общество переходит к планетам, которые все больше похожи на Землю или размером с Землю, что требует больших апертур телескопа, мы надеемся получить много данных, из которых мы также сможем обнаружить луны».

—Кимберли М.С. Картье (Встроить твит), сценарист экипажа

цитата: Картье, KMS (2022 г.), Чтобы сделать большую луну, начните с маленькой планеты. Эос, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO220079. Опубликовано 10 февраля 2022 г.
Текст © 2022. АГУ. CC BY-NC-ND 3.0.0 Обновить
Если не указано иное, изображения защищены авторским правом. Любое повторное использование без явного разрешения владельца авторских прав запрещено.

Leave a Comment