Hoewel de gasreuzen van ons zonnestelsel sterk variëren in grootte en massa, hebben ze iets gemeen. Naarmate deze manen groter werden, remde het overgebleven gas ze af en vielen ze op de planeet om te worden geconsumeerd. De manen die we vandaag zien, waren de laatste die zich rond hun ouderplaneten vormden, nadat het gas was verdwenen.
Elk van de buitenste gasvormige planeten van ons zonnestelsel herbergt een systeem van meerdere satellieten, en deze objecten omvatten Jupiters vulkanische Io en Europa met zijn veronderstelde ondergrondse oceaan, evenals Titan met zijn dichte en organisch rijke atmosfeer bij Saturnus. Hoewel individuele satellieteigenschappen variëren, vertonen de systemen allemaal een opvallende overeenkomst: de totale massa van elk satellietsysteem in vergelijking met de massa van de gastplaneet is bijna een constante verhouding, ongeveer 1: 10.000.
Onderzoek door wetenschappers van het Southwest Research Institute, gepubliceerd in het nummer van 15 juni van Nature, stelt een verklaring voor waarom de gasvormige planeten deze consistentie vertonen en waarom de satellieten van gasplaneten zoveel kleiner zijn in vergelijking met hun planeet dan de belangrijkste satellieten van solide planeten.
De vier Galilese satellieten van Jupiter zijn elk ongeveer even groot, terwijl Saturnus één grote satelliet heeft samen met tal van veel kleinere satellieten. Toch is de totale massa in beide satellietsystemen ongeveer een honderdste van één procent (0,0001) van de massa van de respectieve planeet. De structuur van het Uranische satellietsysteem is vergelijkbaar met die van Jupiter en vertoont ook dezelfde massaverhouding. Daarentegen bevatten de grote satellieten van vaste planeten veel grotere fracties van de massa van hun planeet, waarbij de maan 1 procent (0,01) van de massa van de aarde bevat en de Pluto-satelliet, Charon, meer dan 10 procent (0,1) van zijn massa bevat.
Waarom hebben de gasplaneten, elk met hun eigen unieke vormingsgeschiedenis, satellietsystemen die een consistente fractie van de massa van elke planeet bevatten, en waarom is deze fractie zo klein in vergelijking met satellieten van vaste planeten? Dr. Robin Canup en Dr. William Ward van de afdeling SwRI Space Studies stellen voor dat de aanwezigheid van gas, voornamelijk waterstof, tijdens de vorming van deze satellieten hun groei beperkte en selecteerde voor een gemeenschappelijke massafractie van het satellietsysteem.
Toen de gasplaneten zich vormden, verzamelden ze waterstofgas en vaste stoffen zoals gesteente en ijs. De laatste fase van de formatie van een gasplaneet wordt verondersteld een instroom van zowel gas als vaste stoffen uit een baan om de zon in een planetaire baan te omvatten, waardoor een schijf van gas en vaste stoffen in een baan rond de planeet in zijn equatoriale vlak wordt geproduceerd. Het is binnen die schijf waarvan wordt aangenomen dat de satellieten zijn gevormd.
Canup en Ward waren van mening dat de zwaartekracht van een groeiende satelliet spiraalgolven veroorzaakt in een omringende gasschijf en dat gravitatie-interacties tussen deze golven en de satelliet ervoor zorgen dat de baan van de satelliet samentrekt. Dit effect wordt sterker naarmate een satelliet groeit, dus hoe groter een satelliet wordt, hoe sneller de baan naar binnen draait in de richting van de planeet. Het team stelt voor dat de balans van twee processen - de voortdurende instroom van materiaal naar de satellieten tijdens hun groei en het verlies van satellieten voor botsing met de planeet - een maximale grootte impliceert voor een gasplaneetsatelliet die consistent is met waarnemingen.
Met behulp van zowel numerieke simulaties als analytische schattingen van de groei en het verlies van satellieten, laat het team zien dat meerdere generaties satellieten waarschijnlijk waren, waarbij de satellieten van vandaag de laatste overlevende generatie zijn die zich vormde toen de groei van de planeet stopte en de gasschijf verdween. Canup en Ward tonen aan dat tijdens meerdere cycli van groei en verlies van satellieten, de fractie van de massa van de planeet op elk moment in haar satellieten een waarde behoudt die niet erg verschilt van 0,0001 voor een breed scala aan modelparameterkeuzes.
De directe simulaties van het team zijn ook de eerste die satellietsystemen produceren die vergelijkbaar zijn met die van Jupiter, Saturnus en Uranus wat betreft het aantal satellieten, hun grootste massa en de afstanden tussen de grote satellietbanen.
"We geloven dat onze resultaten een sterk bewijs zijn dat de satellietsystemen van Jupiter en Saturnus gevormd zijn in schijven die geproduceerd zijn zoals de planeet zelf in haar laatste groeifase was", zegt Canup. "De oorsprong van het Uranische satellietsysteem blijft echter onzekerder, en de waarschijnlijkheid dat onze resultaten van toepassing zijn op die planeet hangt af van hoe Uranus zijn axiale kanteling van bijna 98 graden heeft bereikt, wat een onderwerp van actieve studie is."
Voor extrasolarsystemen suggereert dit onderzoek dat de grootste satellieten van een Jupiter-massa-planeet de grootte van de maan tot Mars zouden hebben, zodat van exoplaneten van Joviaanse grootte niet wordt verwacht dat ze satellieten zo groot als de aarde zullen hosten. Dit is relevant voor de potentiële bewoonbaarheid van satellieten in extrasolar-systemen.
De NASA Planetary Geology and Geophysics and Outer Planets Research-programma's financierden dit onderzoek. Het artikel "Canup and Ward", een gemeenschappelijke massaschaling voor satellietsystemen van gasvormige planeten, verschijnt in het nummer van 15 juni van Nature.
Oorspronkelijke bron: SwRI News Release
