11.2K
Команда исследователей представила новую модель происхождения колец Сатурна на основе результатов компьютерного моделирования. Полученная модель также применима к кольцам других планет-гигантов и объясняет композиционные различия между кольцами Сатурна и Урана. Полученные результаты опубликованы 6 октября 2016 года в онлайн-версии журнала Icarus.
Гигантские планеты в Солнечной системе имеют очень разнообразные кольца. Наблюдения показывают, что кольца Сатурна состоят более чем на 95% из ледяных частиц, в то время как кольца Урана и Нептуна темнее и могут иметь более высокое содержание каменистых объектов. Тем не менее, происхождение колец оставалось неясным, и механизмы, которые приводят к различным кольцевым системам, были неизвестны.
Настоящее исследование было сосредоточено на периоде поздней тяжелой бомбардировки, которая происходила 4 миллиарда лет назад, когда планеты-гиганты подверглись орбитальной миграции. Считается, что несколько тысяч объектов размером с Плутон из пояса Койпера существовали во внешней Солнечной системе за орбитой Нептуна. Во-первых, исследователи подсчитали вероятность того, что эти крупные объекты подошли достаточно близко к гигантам и были уничтожены их приливными силами. Результаты показали, что Сатурн, Уран и Нептун несколько раз вступали в тесный контакт с крупными небесными телами.
После этого группа использовала компьютерное моделирование, чтобы исследовать разрушение этих объектов приливной силой, когда они проходили вблизи планет-гигантов. Результаты моделирования варьировались в зависимости от начальных условий, таких как вращение проходящих объектов и их минимальное расстояние до планеты. Они обнаружили, что во многих случаях фрагменты, содержащие 0,1-10% исходной массы проходящих объектов, были захвачены гравитацией планет. Суммарная масса этих захваченных фрагментов оказалось достаточной, чтобы объяснить массу текущих колец Сатурна и Урана. Другими словами, эти планетарные кольца были сформированы, когда достаточно крупные объекты прошли очень близко от гигантов и были уничтожены.
Исследователи также смоделировали долгосрочную эволюцию захваченных фрагментов с использованием суперкомпьютеров в Национальной астрономической обсерватории Японии. Они обнаружили, что захваченные фрагменты с начальным размером в несколько километров многократно сталкивались с высокой скоростью и постепенно разлетались на мелкие кусочки.
Эта модель может также объяснить композиционную разницу между кольцами Сатурна и Урана. По сравнению с Сатурном Уран (а также Нептун) имеет более высокую плотность. Это означает, что в случае Урана и Нептуна объекты при прохождении в непосредственной близости от планеты испытывают чрезвычайно сильные приливные силы. Сатурн имеет более низкую плотность и высокое отношение диаметра к массе. В результате, если объекты пояса Койпера имеют слоистые структуры, такие как каменистое ядро с ледяной мантией, и проходят в непосредственной близости от Урана или Нептуна, даже скалистое ядро будет разрушено и захвачено, образуя кольца, включающие каменистый состав. При этом если они проходят мимо Сатурна, будет уничтожена только ледяная мантия, образуя ледяные кольца. Это объясняет различные кольцевые композиции.
Эти результаты показывают, что кольца планет-гигантов являются естественными побочными продуктами процесса формирования планет в Солнечной системе. Это означает, что гигантские планеты, обнаруженные у других звезд, вероятно, имеют кольца, образованные подобным процессом.