Saturns ringe og hældning kunne være et produkt af en gammel, manglende måne

Saturns ringe, der hvirvler rundt om planetens ækvator, er et dødt bud på, at planeten drejer på en hældning. Bæltegiganten roterer i en 26,7 graders vinkel i forhold til det plan, hvori den kredser om solen. Astronomer har længe haft mistanke om, at denne hældning kommer fra tyngdekraftens vekselvirkninger med sin nabo Neptun, da Saturns hældning præcesserer, som en snurretop, med næsten samme hastighed som Neptuns kredsløb.

Men en ny modelleringsundersøgelse foretaget af astronomer ved MIT og andre steder har fundet ud af, at selvom de to planeter måske engang har været synkroniserede, er Saturn siden undsluppet Neptuns træk. Hvad var ansvarlig for denne planetariske omstilling? Holdet har en omhyggeligt testet hypotese:en manglende måne.

I en undersøgelse, der vises i Science , holdet foreslår, at Saturn, som i dag er vært for 83 måner, engang husede mindst én mere, en ekstra satellit, som de kalder Chrysalis. Sammen med sine søskende, foreslår forskerne, kredsede Chrysalis om Saturn i flere milliarder år og trak og rykkede i planeten på en måde, der holdt dens hældning eller "skråhed" i resonans med Neptun.

Men for omkring 160 millioner år siden, vurderer holdet, blev Chrysalis ustabil og kom for tæt på sin planet i et græssende møde, der trak satellitten fra hinanden. Tabet af månen var nok til at fjerne Saturn fra Neptuns greb og efterlade den med den nuværende hældning.

Hvad mere er, formoder forskerne, at mens det meste af Chrysalis' knuste krop kan have ramt Saturn, kunne en brøkdel af dens fragmenter have været suspenderet i kredsløb og til sidst brækket i små iskolde bidder for at danne planetens signaturringe.

Den manglende satellit kunne derfor forklare to langvarige mysterier:Saturns nuværende hældning og alderen på dens ringe, som tidligere blev anslået til at være omkring 100 millioner år gamle - meget yngre end planeten selv.

"Ligesom en sommerfugls puppe var denne satellit længe i dvale og blev pludselig aktiv, og ringene dukkede op," siger Jack Wisdom, professor i planetvidenskab ved MIT og hovedforfatter af det nye studie.

Studiets medforfattere inkluderer Rola Dbouk ved MIT, Burkhard Militzer fra University of California i Berkeley, William Hubbard ved University of Arizona, Francis Nimmo og Brynna Downey fra University of California i Santa Cruz og Richard French fra Wellesley College.

Et øjebliks fremskridt

I begyndelsen af ​​2000'erne fremsatte videnskabsmænd ideen om, at Saturns hældende akse er et resultat af, at planeten er fanget i en resonans eller gravitationsforbindelse med Neptun. Men observationer taget af NASAs Cassini-rumfartøj, som kredsede om Saturn fra 2004 til 2017, satte en ny drejning på problemet. Forskere fandt ud af, at Titan, Saturns største satellit, migrerede væk fra Saturn med et hurtigere klip end forventet, med en hastighed på omkring 11 centimeter om året. Titans hurtige migration og dens tyngdekraft fik videnskabsmænd til at konkludere, at månen sandsynligvis var ansvarlig for at vippe og holde Saturn i resonans med Neptun.

Men denne forklaring afhænger af en større ukendt:Saturns inertimoment, som er hvordan massen er fordelt i planetens indre. Saturns hældning kunne opføre sig anderledes, afhængigt af om stof er mere koncentreret i sin kerne eller mod overfladen.

"For at gøre fremskridt med problemet var vi nødt til at bestemme Saturns inertimoment," siger Wisdom.

Det tabte element

I deres nye undersøgelse søgte Wisdom og hans kolleger at fastlægge Saturns inertimoment ved hjælp af nogle af de sidste observationer taget af Cassini i dens "Grand Finale", en fase af missionen, hvor rumfartøjet foretog en ekstrem tæt tilgang til præcis kortlægning gravitationsfeltet rundt om hele planeten. Tyngdefeltet kan bruges til at bestemme massefordelingen i planeten.

Wisdom og hans kolleger modellerede Saturns indre og identificerede en massefordeling, der matchede det gravitationsfelt, som Cassini observerede. Overraskende fandt de ud af, at dette nyligt identificerede inertimoment placerede Saturn tæt på, men lige uden for resonansen med Neptun. Planeterne har måske engang været synkroniserede, men er det ikke længere.

"Så gik vi på jagt efter måder at få Saturn ud af Neptuns resonans," siger Wisdom.

Holdet udførte først simuleringer for at udvikle Saturns kredsløbsdynamik og dens måner tilbage i tiden for at se, om nogen naturlig ustabilitet blandt de eksisterende satellitter kunne have påvirket planetens hældning. Denne søgning blev tom.

Så forskerne genundersøgte de matematiske ligninger, der beskriver en planets præcession, hvilket er hvordan en planets rotationsakse ændrer sig over tid. Et led i denne ligning har bidrag fra alle satellitterne. Holdet begrundede, at hvis en satellit blev fjernet fra denne sum, kunne det påvirke planetens præcession.

Spørgsmålet var, hvor massiv den satellit skulle være, og hvilken dynamik skulle den gennemgå for at tage Saturn ud af Neptuns resonans?

Wisdom og hans kolleger kørte simuleringer for at bestemme egenskaberne af en satellit, såsom dens masse og orbital radius, og den orbitale dynamik, der ville være nødvendig for at slå Saturn ud af resonansen.

De konkluderer, at Saturns nuværende hældning er resultatet af resonansen med Neptun, og at tabet af satellitten, Chrysalis, som var omtrent på størrelse med Iapetus, Saturns tredjestørste måne, gjorde det muligt for den at undslippe resonansen.

Engang for mellem 200 og 100 millioner år siden gik Chrysalis ind i en kaotisk kredsløbszone, oplevede en række tætte møder med Iapetus og Titan og kom til sidst for tæt på Saturn i et græsningsmøde, der rev satellitten i stykker og efterlod en lille brøkdel. at cirkle rundt om planeten som en ring med snavs.

Tabet af Chrysalis, fandt de, forklarer Saturns præcession og dens nuværende hældning, såvel som den sene dannelse af dens ringe.

"Det er en ret god historie, men som ethvert andet resultat skal det undersøges af andre," siger Wisdom. "Men det ser ud til, at denne tabte satellit bare var en puppe, der ventede på at få sin ustabilitet." + Udforsk yderligere

Hvilken planet har flest måner? Måner af Saturn, Venus og Jupiter forklaret