Что произойдет со спутниками Юпитера, если планету выбьет из Солнечной системы?

В нашей галактике существуют миллиарды объектов, которые астрономы называют свободными планетами или планетами-сиротами. Это небесные тела массой с Юпитер или Землю, которые двигаются в межзвездном пространстве и не связаны гравитацией ни с одной из звезд. На протяжении долгого времени среди ученых шла дискуссия: могут ли такие планеты удержать свои спутники во время катастрофических событий, которые выбивают их из родительских звездных систем?

Ранее преобладала точка зрения, что любой гравитационный процесс, способный оторвать планету от ее звезды, должен неизбежно разрушать ее спутниковую систему. Однако новые расчеты астрофизиков из Лейденского университета Яссина Баду и Саймона Портегис Зварта показывают, что это не так.

Результаты компьютерного моделирования подтверждают: если планета покидает систему из-за близкого пролета другой звезды, близко расположенные спутники остаются на своих орбитах почти в 100% случаев. Более того, характеристики орбит этих спутников позволяют точно рассчитать, где именно находилась планета до того, как потеряла свою звезду.

Два сценария образования планет-сирот

Чтобы планета покинула свою звездную систему, она должна получить мощный гравитационный импульс. Астрофизике известны два основных механизма, которые способны привести к такому исходу:

1. Внутренняя нестабильность системы (планетарное рассеяние): в молодой системе образуется слишком много планет-гигантов. Их орбит начинают перекрываться, гравитационное взаимодействие между ними нарастает, и в результате серии сближений одна из планет выталкивается за пределы системы.
2. Внешнее гравитационное воздействие (сближение со звездой): большинство звезд рождается группами в плотных звездных скоплениях. На ранних этапах существования системы мимо материнской звезды на близком расстоянии может пройти другая звезда. Её притяжение способно оторвать планету от родного светила и отправить ее в свободный полет.

До сих пор большинство исследований фокусировалось на первом сценарии — внутреннем рассеянии. Расчеты показывали, что при таком процессе спутники планет почти всегда теряются или сбрасываются со своих орбит. Влияние же внешних звездных сближений на спутники долгое время оставалось детально не изученным.

Моделирование 34 тысяч виртуальных систем

Чтобы понять, что происходит со спутником во время пролета чужой звезды, исследователи из Лейденского университета провели масштабный численный эксперимент. Они использовали вычислительную систему AMUSE, которая позволяет с высокой точностью рассчитывать взаимное притяжение многих небесных тел с учетом законов ньютоновской механики.

Авторы работы смоделировали 33 953 различных вариантов звездных сближений. В каждой симуляции участвовали четыре объекта:

• Материнская звезда с массой, равной массе нашего Солнца.
• Планета-гигант с массой Юпитера.
• Спутник с массой Ганимеда (крупнейшего спутника в Солнечной системе).
• Пролетающая звезда, масса которой также была равна солнечной.

Ученые меняли при каждом запуске расстояние между объектами, угол приближения пролетающей звезды и направление ее движения. Скорость пролетающей звезды задали равной 3 километрам в секунду. Это стандартная скорость движения звезд относительно друг друга в молодых звездных скоплениях.

Задачей исследования было определить, при каких условиях спутник останется вращаться вокруг планеты, когда та оторвется от своей звезды, а при каких — упадет на одно из светил или улетит в космос как самостоятельный объект.

Граница гравитационного контроля: сфера Хилла

Ключевым фактором выживания спутника оказалось его первоначальное расстояние до планеты. В астрофизике это расстояние измеряют в единицах радиуса сферы Хилла.

Сфера Хилла — это область пространства вокруг планеты, внутри которой ее собственное гравитационное притяжение сильнее, чем притяжение материнской звезды. Для Юпитера в Солнечной системе радиус сферы Хилла составляет примерно 53 миллиона километров. Вся система крупных спутников Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто) располагается глубоко внутри этой зоны — на расстояниях от 0.008 до 0.035 радиуса сферы Хилла.

Расчеты показали следующую закономерность:

• Зона полной сохранности (расстояние до 0.4 радиуса сферы Хилла): если спутник находится близко к планете, он гарантированно остается на своей орбите. Для спутников с орбитами, похожими на орбиту Ио (0.008RH0.008RH​), вероятность выживания составляет 100%. Для спутников на удалении до0.4RH0.4RH​вероятность выживания превышает 80-90%.
• Резкий спад (расстояние от 0.4 до 0.45 радиуса сферы Хилла): при удалении спутника от планеты дальше рубежа в 0.4 радиуса сферы Хилла вероятность его удержания начинает быстро снижаться.
• Полная потеря (расстояние свыше 0.5 радиуса сферы Хилла): спутники, находящиеся на границе сферы Хилла, теряются практически всегда. Пролетающая звезда либо забирает такой спутник себе, либо превращает его в отдельную свободную планету малой массы.

Физическая причина такой разницы проста. Когда пролетающая звезда приближается к системе, она оказывает сильное гравитационное воздействие на планету. Если спутник расположен близко к планете, гравитационная связь между ними оказывается намного сильнее, чем разница в притяжении, которое создает пролетающая звезда на противоположных концах системы. В результате пролетающая звезда смещает планету и близкий спутник с одинаковым ускорением. Планета и спутник покидают материнскую звезду как единая связанная система.

Изменение формы орбит после выброса

Исследование показало важность не только факта выживания спутника, но и того, как меняется форма его орбиты.

Орбита небесного тела характеризуется двумя основными параметрами:

• Вытянутость (эксцентриситет): показывает, насколько орбита отличается от идеального круга. Значение 0 означает круговую орбиту, значения близкие к 1 — сильно вытянутую.
• Наклонение: угол между плоскостью вращения спутника и плоскостью вращения планеты.

В результате сближения со звездой спутники, находившиеся на близких орбитах (до 0.4 радиуса сферы Хилла), практически не меняют формы своего движения. Их орбиты остаются почти круглыми, а угол наклона изменяется незначительно.

Напротив, спутники, находившиеся на дальних орбитах, при выживании получают сильное гравитационное раскачивание. Их орбиты становятся сильно вытянутыми и наклоненными.

Это ключевое отличие от сценария внутреннего рассеяния планет. При рассеянии планет друг другом даже близкие спутники получают сильные орбитальные возмущения. Таким образом, по форме орбиты спутника у свободной планеты в будущем можно будет определить, какова была причина её выброса из родной системы.

Как узнать прошлое планеты по ее спутнику

Важнейший практический вывод работы заключается в том, что в 87% случаев расстояние между планетой и её спутником после выброса из системы меняется менее чем на 10%.

Поскольку расстояние меняется незначительно, наблюдатель, измеривший параметры свободной планеты и её спутника в межзвездном пространстве, может вычислить, на каком расстоянии от своей первоначальной звезды находилась эта планета до катастрофы.

Астрофизики применили полученную математическую модель к объекту MOA-2011-BLG-262Lb. Этот объект был обнаружен астрономами с помощью метода гравитационного микролинзирования (когда гравитация далекого объекта искривляет и усиливает свет находящейся за ним звезды).

Данные наблюдений показывают, что MOA-2011-BLG-262Lb представляет собой вероятную свободную планету массой около 3.6 массы Юпитера, вокруг которой вращается спутник массой около 0.54 массы Земли. Расстояние между ними составляет 0.13 астрономической единицы (около 19.5 миллионов километров).

Применив данные своих симуляций, ученые рассчитали, что если эта система была выбита из родительской системы пролетающей звездой, то до выброса планета находилась на расстоянии около 5.2 астрономической единицы от своего светила солнечной массы. Это практически точно соответствует расстоянию, на котором Юпитер вращается вокруг Солнца в нашей системе.

Значение для поиска жизни и будущих исследований

Результаты исследования влияют на два направления современной астрофизики.

1. Тестирование моделей образования планет

В ближайшие годы начнут работу новые космические телескопы, такие как Nancy Grace Roman Space Telescope (NASA) и CSST (Китайская космическая станция). Одной из их ключевых задач станет поиск свободных планет и их спутников методом микролинзирования.

Результаты расчетов дают ученым четкий критерий для анализа будущих открытий:

• Если телескопы обнаружат, что большинство спутников у планет-сирот имеют круговые и плоские орбиты, это будет означать, что основным механизмом образования планет-сирот в Галактике являются близкие звездные сближения в скоплениях.
• Если же спутники будут встречаться редко, а их орбиты окажутся сильно вытянутыми, преобладающим механизмом следует считать внутренние межпланетные столкновения и рассеяние.

2. Тепловой режим и потенциальная обитаемость

Планета, лишенная звезды, не получает внешнего тепла. Ее поверхность быстро замерзает до температур, близких к абсолютному нулю. Однако для спутников свободных планет ситуация оказывается иной.

Если спутник движется по орбите вокруг планеты-гиганта, он испытывает постоянное действие переменного гравитационного притяжения. Это притяжение деформирует недра спутника, возникающее внутреннее трение приводит к выделению тепла. Этот процесс называется приливным нагревом.

В Солнечной системе приливный нагрев обеспечивает существование подповерхностного океана жидкой воды на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе.

Расчеты ученых показывают, что близкие спутники свободных планет сохраняют свои устойчивые орбиты на протяжении миллиардов лет. Это означает, что приливный нагрев внутри таких спутников может продолжаться непрерывно, поддерживая подповерхностные океаны жидкой воды в полной темноте межзвездного пространства без участия звездного света.

Итог

Работа ученых из Лейденского университета меняет представление о динамике планетных систем при гравитационных катаклизмах. Сближения звезд в плотных скоплениях не уничтожают спутниковые системы, а переведут их в категорию изолированных объектов.

Физические законы гравитационного взаимодействия позволяют компактным спутниковым системам переносить отрыв от материнской звезды без существенных изменений своих орбит. Это делает спутники свободных планет не только источником информации о прошлом разрушенных звездных систем, но и объектами, где возможны условия для сохранения жидкой воды в межзвездной среде.

Источник: arXiv