Титан мигрирует от Сатурна в 100 раз быстрее, чем было предсказано ранее
Исследования показывают, что Титан образовался гораздо ближе к Сатурну и мигрировал на свое нынешнее расстояние в 1,2 миллиона километров за 4,5 миллиарда лет.
По земным меркам спутник Сатурна Титан — странное место. Более крупный, чем планета Меркурий, Титан окутан плотной атмосферой (это единственный естественный спутник в Солнечной системе, которая имеет ее) и покрыт реками и морями жидких углеводородов, таких как метан и этан.
Теперь же десятилетия измерений и расчетов показали, что орбита Титана вокруг Сатурна расширяется — то есть он становится все дальше и дальше от планеты, удаляясь со скоростью примерно в 100 раз быстрее, чем ожидалось.
Исследования показывают, что Титан образовался гораздо ближе к Сатурну и мигрировал на свое нынешнее расстояние в 1,2 миллиона километров за 4,5 миллиарда лет.
«Большинство предыдущих работ предсказывало, что спутники, такие как Титан или спутник Юпитера Каллисто, были сформированы на орбитальном расстоянии, подобном тому, на котором мы видим их сейчас», — говорит Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института, доцент теоретической астрофизики и соавтор новой статьи. — Это означает, что сатурнианская лунная система и, возможно, ее кольца сформировались и эволюционировали более динамично, чем считалось ранее.»
Чтобы понять основы орбитальной миграции, мы можем посмотреть на нашу собственную Луну. Луна Земли оказывает небольшое гравитационное притяжение на нашу планету, когда она вращается по своей орбите.
Вот что вызывает приливы и отливы: ритмичные рывки Луны заставляют земные океаны выпячиваться из стороны в сторону. Процессы трения внутри Земли преобразуют часть этой энергии в тепло, искажая гравитационное поле Земли так, что оно тянет Луну вперед по своей орбите. Это заставляет Луну набирать энергию и постепенно удаляться все дальше от Земли со скоростью около 3,8 сантиметра в год.
Однако этот процесс происходит постепенно; Земля не «потеряет» Луну до тех пор, пока Земля и Луна не будут поглощены Солнцем примерно через шесть миллиардов лет.
Титан оказывает аналогичное притяжение на Сатурн, но процессы трения внутри Сатурна обычно считаются более слабыми, чем внутри Земли, из-за газообразного состава Сатурна. Стандартные теории предсказывают, что из-за своего расстояния от Сатурна Титан должен мигрировать со скоростью не более 0,1 сантиметра в год. Но новые результаты противоречат этому прогнозу.
В работе, подробно описанной в статье Nature Astronomy, две группы исследователей использовали разные методы для измерения орбиты Титана в течение 10 лет. Один из методов, получивший название астрометрии, позволил точно измерить положение Титана относительно фоновых звезд на снимках, сделанных космическим аппаратом «Кассини». Другой метод, радиометрия, измерял скорость Кассини, поскольку он был подвержен гравитационному влиянию Титана.
«Используя два совершенно независимых набора данных — астрометрический и радиометрический, и два различных метода анализа, мы получили результаты, которые полностью согласуются», — говорит первый автор исследования Валери Лейни.
Полученные результаты также согласуются с теорией, предложенной в 2016 году Фуллером, который предсказал, что скорость миграции Титана будет намного быстрее, чем предполагают стандартные приливные теории.
Его теория отмечает, что Титан, как ожидается, будет гравитационно сжимать Сатурн с определенной частотой, которая заставляет планету сильно колебаться, подобно тому, как качание ваших ног на качелях с правильным ритмом может поднимать вас все выше и выше.
Этот процесс приливного воздействия называется резонансной блокировкой. Джим Фуллер предположил, что высокая амплитуда колебаний Сатурна будет рассеивать много энергии, что, в свою очередь, приведет к тому, что Титан будет мигрировать прочь от планеты с большей скоростью, чем считалось ранее.
Действительно, оба наблюдения показали, что Титан мигрирует от Сатурна со скоростью 11 сантиметров в год, более чем в 100 раз быстрее, чем предсказывали предыдущие теории.
— Теория резонансной блокировки применима ко многим астрофизическим системам. Сейчас я провожу некоторые теоретические работы, чтобы увидеть, может ли та же самая физика произойти в двойных звездных системах или экзопланетных системах», — говорит Джим Фуллер.
Valéry Lainey et al. Resonance locking in giant planets indicated by the rapid orbital expansion of Titan, Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-1120-5