Ученые объяснили причину наклона Сатурна на 27 градусов: это происходило из-за удаления спутников газового гиганта
Французские ученые установили, что ось вращения Сатурна нестабильна. В настоящее время ее наклон составляет около 27 градусов, и в дальнейшем эта величина, по-видимому, будет возрастать. Нестабильность оси оказалась связана с миграцией спутников Сатурна: они удаляются от планеты значительно быстрее, чем считалось ранее. О результатах исследования ученые сообщили в статье, опубликованной в издании Nature Astronomy.
Подвижная ось
Помимо обращения вокруг Солнца Сатурн, как и другие планеты, обладает собственным вращением. Ось этого вращения испытывает прецессию – периодическое изменение направления и угла наклона, отсчитываемого от перпендикуляра к плоскости орбитального движения. Причиной колебаний оси является гравитационное взаимодействие планеты с другими телами Солнечной системы.
Модели показывают, что на самом раннем этапе существования, при аккреции из газопылевого облака, планеты-гиганты должны были формироваться с практически нулевым наклоном. Однако в современную эпоху ось Сатурна наклонена необычно сильно, в то время как у Юпитера угол ее наклона близок к первоначальному и составляет всего около 3 градусов. Сатурн наклонен к плоскости своей орбиты несколько сильнее, чем Земля и Марс, и подобно этим скалистым планетам, обладает ярко выраженными сезонными изменениями.
Спутники мигрируют
Известно, что на вращение планеты большое влияние оказывают ее спутники. Для гигантских планет характерно наличие обширных и сложно устроенных спутниковых систем, и для того чтобы правильно учесть их воздействие на особенности планетного вращения, необходимо тщательно изучить движение тел в этих системах.
Наблюдения последних лет позволили уточнить, как ведут себя луны в многочисленном «семействе» Сатурна. Скорость удаления спутников от планеты оказалась гораздо выше, чем полагали ученые до сих пор. Это обстоятельство весьма важно, так как в миграции участвует массивный Титан – один из крупнейших спутников в Солнечной системе.
Как наклонялся Сатурн
Традиционно считалось, что современное значение угла наклона оси Сатурн приобрел не менее четырех миллиардов лет назад, во время эпохи планетных миграций в Солнечной системе. Планетологи полагали, что Сатурн наклонился из-за резонансного взаимодействия с Нептуном, орбита которого сместилась в дальние области Солнечной системы. Затем орбиты гигантских планет стабилизировались, и в их движении не происходило существенных изменений.
Мелен Сайенфест и Гвенаэль Буэ из Парижской обсерватории и Сорбоннского университета в сотрудничестве с итальянским математиком Джакомо Лари детально исследовали вращение планет-гигантов с помощью численного моделирования, учитывающего ускоренную миграцию спутников. Обнаружилось, что история Сатурна в этом отношении была более сложной именно благодаря взаимодействию с лунами, и в первую очередь – с Титаном.
Согласно результатам нового исследования быстрая миграция Титана долгое время препятствовала установлению резонанса между прецессией оси вращения его родительской планеты и колебаниями плоскости орбиты Нептуна. Сатурн сохранял очень слабый наклон оси – около 2,5 градуса – как минимум три миллиарда лет после бурной эпохи перемещения планет. Только около миллиарда лет назад частоты колебаний оси Сатурна и орбитальной плоскости Нептуна пришли в резонанс, вследствие которого Сатурн стал наклоняться все заметнее.
Динамичное будущее
Быстро мигрирующие луны не только объяснили сегодняшний наклон окольцованной планеты, но и рассказали, что произойдет с ним в будущем. Ось Сатурна и сейчас нестабильна: с течением времени резонансное воздействие «уронит» ее еще сильнее. Через несколько миллиардов лет угол наклона может увеличиться более чем вдвое по отношению к современному.
Сайенфест и Буэ уверены, что сходный процесс протекает и в системе Юпитера. Ось его вращения также не останется неизменной. Четыре наиболее крупных юпитерианских спутника – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – также удаляются от своей планеты, и в некоторый момент эта миграция приведет к аналогичному резонансу между смещением его оси и прецессией плоскости орбиты Урана. Юпитер начнет наклоняться и за следующие пять миллиардов лет достигнет наклона свыше 30 градусов.
Новое исследование показывает, что динамика Солнечной системы продолжает эволюционировать, и характер движения планет в ней не может считаться стабилизировавшимся раз и навсегда. Современное состояние планет и их спутниковых систем, непосредственно доступное нашему наблюдению, – лишь переходный этап в развитии сложной совокупности космических тел, которую представляет собой Солнечная система.