Dlaczego księżyce Saturna różnią się od siebie?

Oprócz tego, że jest jedną z najbardziej niesamowitych planet ze swoimi wspaniałymi pierścieniami, Saturn domy
Ponad 80 księżyców, Nie
Encelad I
tytan. Te księżyce mają inny skład: Enceladus jest całkowicie pokryty lodem wodnym, podczas gdy Tytan posiada atmosferę metanu i azotu. Skąd bierze się ta różnorodność?

Aby to zrozumieć, musimy przestudiować ich szkolenie. W przypadku braku wehikułu czasu naukowcy symulują ten proces za pomocą modeli numerycznych.

Jak zrobić księżyc?

dla nas Układ Słoneczny Powstał około 4,5 miliarda lat temu z gęstego obłoku gazu i pyłu. Chmura zapadła się, tworząc mgławicę słoneczną – krążący wokół niej dysk materii.

W centrum grawitacja przyciągała coraz więcej materii, aż ciśnienie w jądrze w końcu stało się tak duże, że atomy wodoru zaczęły się łączyć i tworzyć hel, uwalniając ogromną ilość energii i uwalniając Soleil. Mamy teraz do czynienia z plikiem
Dysk akumulacyjny Obraca się wokół naszej protogwiazdy.

Najbardziej szczegółowe zdjęcie dysku protogwiazdowego wokół gwiazdy HL Tau, uzyskane przez teleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) na pustyni Atacama w Chile © ALMA/NRAO/ESO/NAOJ, CC BY-SA (via Conversation)

Dysk ten składa się z ziaren materii, które gromadzą się pod wpływem siły elektrostatycznej, tworząc małe kilkukilometrowe grudki. Te bloki, zwane „planetesimals”, mogą zderzać się ze sobą, tworząc coraz większe i większe obiekty. Niektóre są na tyle duże, że ich grawitacja kontroluje i przyciąga coraz więcej materii, Powstały na polach i powstawaniu planet.

Jednocześnie proces ten odbywał się na mniejszą skalę wokół samych planet, tworząc wiele księżyców. „Pozostałości”, które nie mogły dać wystarczająco dużych obiektów, stały się naszymi asteroidami i kometami – lub mogły tworzyć pierścienie wokół większych planet.

Ale to nie byle cząstki uformują te planety czy księżyce: ich skład będzie zależał od dostępnych molekuł; A ta dostępność zależy od temperatury, a więc od ich odległości od słońca. Temperatura tych krążków spada wraz z upływem czasu, im dalej znajdujemy się od gorącego obiektu w centrum. Każdy rodzaj cząsteczki zachowuje się inaczej: w określonej temperaturze cząsteczka jest zbyt zimna, aby pozostać w stanie gazowym i zamienia się w ciało stałe (wskakując do cieczy), aby stać się lodem.

Miejsce, w którym temperatura wymusza to przejście, nazywa się „ linia lodu »: To odległość do centralnego ciała decyduje o tym, czy cząsteczka występuje w postaci stałej czy gazowej. Każda cząsteczka ma swoją własną temperaturę przejścia, a zatem własną smugę lodu.

W pobliżu Słońca dysk jest zbyt gorący, aby umożliwić lotnym cząstkom, takim jak woda lub metan, pozostawanie poniżej stanu stałego, a cząstki te będą formować się tylko w celu utworzenia małych planet poza linią lodu. To dlatego istnieje tak duża różnica w składzie między planetami wewnętrznymi – tymi najbliżej Słońca, które są skaliste i uważane za „telluryczne” (Merkury, Wenus, Ziemia i Mars) – a planetami zewnętrznymi, które są „gazowe”. olbrzymy” (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun) . Linia lodu wodnego wyrzeźbiła te dwie grupy i istniały one między nimi w czasie formowania się tych ciał.

Kaskadowe smugi lodu określają skład planet wokół swojej gwiazdy © A. Aguichine, O. Mousis, B. Devouard & T. Ronnet (za pośrednictwem The Conversation)

Możemy wyobrazić sobie tę mgławicę jako wielkie wiadro materii i wody, aby zrozumieć, dlaczego ciężkie pierwiastki „toną” szybciej niż małe cząstki pozostawione w zawiesinie. To samo wydarzyło się w tych mgławicach: ciężkie pierwiastki, takie jak żelazo, nikiel i skały krzemianowe, przyciągane przez grawitację, zbliżają się do centralnego ciężkiego obiektu, podczas gdy lekkie pierwiastki pozostają na zewnątrz. Linia lodu, ponieważ woda – w postaci gazowej – utrudnia podejście, które wypycha je na zewnątrz.

A o Saturnie? myśleć Że stało się to samo: księżyce mogły powstać z tych smug lodu. Musimy więc znaleźć słynne linie lodu dla każdej zaangażowanej cząsteczki, aby zrozumieć skład tych różnych księżyców.

W pełni cyfrowy mini układ planetarny

Wypełniamy wirtualną przestrzeń wszystkimi komponentami Te księżyce składają się z: lodu wodnego, tlenku węgla, metanu i azotu. Mając te składniki na miejscu, aplikujemy
Prawa grawitacji Oprócz praw termodynamiki, uruchamiamy czas: nasza symulacja monitoruje położenie elementów, temperaturę i ciśnienie dysku, a następnie oblicza ich kolejne położenia, umożliwiając oszacowanie ewolucji dysku w czasie. Aby dopasować się do tego, co widzimy dzisiaj na księżycach, elementy składowe musiałyby pochodzić z miejsca pomiędzy liniami lodu tlenku węgla i azotu na ich zewnętrznej granicy, a linią lodu metanu na ich wewnętrznej granicy.

Lodowe smugi różnych cząstek wokół Saturna (który również ogrzewa się znacznie mniej niż Słońce, ale nadal) oraz położenie Tytana i Enceladusa © Sarah Anderson (za pośrednictwem Conversation)

Jednak podczas naszych symulacji Saturn „pochłonął” wszystkie cząstki tak szybko, że pył nie miał wystarczająco dużo czasu, aby urósł wystarczająco, by zbudować księżyce. Aby utworzyć księżyce, musieliśmy stale uzupełniać układy nowymi ciałami stałymi.

Pod koniec tej ostatniej symulacji odnotowaliśmy położenie tych linii lodu i oczywiście położenie „cegiełek budulcowych” naszych księżyców: te pod koniec symulacji są dalej od rzeczywistego położenia księżyca. aktualne satelity. To dodaje do teoria Tytan mógł dalej formować się i dryfować w głąb lądu przez tysiące lat.

Enceladus i pierścienie Saturna

Biorąc pod uwagę, że Enceladus jest zbyt mały, aby wytrzymać stres związany z takim lotem (zwłaszcza, że ​​został rozerwany przez siły pływowe), prawdopodobnie powstał znacznie później niż Tytan, prawdopodobnie z tej samej kosmicznej katastrofy, która utworzyła pierścienie. Z Saturna… jeśli ten scenariusz jest prawdziwy.

W rzeczywistości Pierścienie Saturna Składa się z miliardów małych kawałków lodu i skał pokrytych innymi materiałami, takimi jak pył. Początkowo astronomowie myśleli, że są to fragmenty komet, asteroid lub księżyców, które rozbiły się, zanim dotarły do ​​planety, rozdarte silnym przyciąganiem grawitacyjnym Saturna. kukurydza
teoria Oparte na
Uwagi dotyczące sondy Cassini (pomiędzy 2004 a 2017) Chce, aby te pierścienie były znacznie mniejsze niż Saturn. Mówi się, że pierścienie mają miliony lat, a nie miliardy, co wskazuje, że katastrofalne wydarzenie zniszczyłoby wszystkie lodowe księżyce (typu Enceladus): księżyce, które widzimy dzisiaj, należą do drugiej generacji.

Tylko kolejna misja na Saturna może dostarczyć więcej szczegółów i osiągnąć dokładność w tych odkryciach. w przeciwnym razie – Cassini-Huygens, który zakończył się w 2017 roku – przyniósł nam ogromną ilość danych; Nadal je studiujemy. Jednak wysłanie kolejnej sondy do układu Saturna zajmie trochę czasu.

Ta analiza została napisana przez Sarah Anderson, doktorantkę kosmologii na Uniwersytecie Francuskiego Comte.
Oryginalny artykuł został opublikowany na stronie internetowej Rozmowa.