Czy księżyce mogą mieć własne księżyce?

Posted on 30 sierpnia 202430 sierpnia 2024 by Alex Rymarski 522 odsłon

Pytanie, „Czy księżyce mogą mieć własne księżyce?”, może na pierwszy rzut oka wydawać się absurdalnym. Jak się jednak okazuje, nie jest to oczywista sprawa, a problem, nad którym pochyla się wiele astronomów. Zatem jak brzmi odpowiedź?

Aby ją poznać, należy najpierw zastanowić się, co dokładnie znaczy „księżyc księżyca”. Definicja „księżyca” jest bardzo prosta – pojęcie to znaczy to samo, co naturalny satelita ciała niebieskiego. Naturalny satelita z kolei to mniejsze ciało niebieskie krążące wokół większego. W związku z tym „księżyc księżyca” będzie to naturalny satelita księżyca planety. By móc odróżnić je od zwykłych satelitów planety, zwie się je subsatelitami naturalnymi.

Grafika składa się z dwóch części. W pierwszej, na czarnym tle znajduje się wiele z księżyców Saturna, m.in. pomarańczowy Tytan, szara Rea oraz brązowy Japet. Druga część pokazuje wielkie odległości, które występują między tymi księżycami, gdyż część z nich nawet się na niej nie mieści.

ESA

Grafika przedstawiająca Saturn wraz z księżycami, czyli jedyną planetę w Układzie Słonecznym potencjalnie posiadającą subsatelitę naturalnego.

Wracając do oryginalnego pytania, odpowiedź na nie, podobnie jak z większością odpowiedzi na pytania astronomiczne, jest niejednoznaczna. Z jednej strony, argumentem za odpowiedzią przeczącą jest fakt, że nie są znane żadne przykłady subsatelitów naturalnych. Nie jest to jednak nic dziwnego – takie ciała byłoby bardzo ciężko znaleźć.

Z drugiej strony, znamy przypadki sztucznych subsatelitów, czyli takich, które zostały umieszczone na orbicie przez człowieka. Są nimi na przykład Lunar Reconnaissance Orbiter oraz Chandraayan-2 Orbiter, które okrążają Księżyc. Z tego wynika, że istnienie ciał na orbicie księżyców jest możliwe. Samo w sobie nie jest jednak definitywnym dowodem na możliwość istnienia subsatelitów naturalnych, ponieważ takowe musiałyby się znaleźć na orbicie same. Jakie są więc optymalne warunki do powstawania takich obiektów?

W tle jest szary wycinek koła, czyli Księżyc oraz czarna przestrzeń kosmiczna. Na pierwszym planie natomiast znajduje się satelita, składający się z niebieskiego panelu słonecznego, żółtego, prostopadłościennego pudła oraz wystającego z niego szarego talerza na szarym pręcie.

NASA

Wizja artystyczna LRO na orbicie Księżyca.

Orbiter jest owinięty złotą folią, ma nieregularny kształt, lecz da się wyróżnić spory cylinder na górze oraz liczne prostopadłościenne wypustki na bokach.

Rząd Indii

Pierwsza z dwóch części misji Chandrayaan-2, czyli orbiter, w hali montażowej.

Warunki sprzyjające powstawaniu subsatelitów naturalnych

Główny powód podawany przeciwko istnieniu moonmoonów jest to przeważnie działanie grawitacji – na taki obiekt działałoby grawitacyjnie wiele masywnych i niedalekich ciał, między innymi gwiazda układu, planeta, księżyc, który obiega oraz inne księżyce danej planety. Wszystkie te siły powodowałyby perturbacje orbity takiego subsatelity, a więc zmniejszałyby prawdopodobieństwo jego długotrwałego przetrwania. Ergo, żeby stworzyć optymalne warunki do powstania takiego ciała, należy te siły zminimalizować.

Wartość siły przyciągania grawitacyjnego można obliczyć z prawa powszechnego ciążenia Isaaca Newtona. Pokazuje nam ono, że siła ta jest mocno zależna od odległości obiektów, gdyż jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu dystansu. Znaczy to, że gdy zwiększymy odległość dwukrotnie, wartość siły zmniejszy się czterokrotnie.

${F_{g}}={G}\frac{Mm}{r^2}$

By móc zaniedbać działanie innych sił należy jak najbardziej zwiększyć odległość między subsatelitą a ciałami innymi niż księżyc, zarazem zmniejszając odległość od obieganego księżyca. W takim wypadku najlepszymi kandydatami do posiadania subsatelitów naturalnych będą planety daleko od swoich gwiazd macierzystych, posiadające jeden księżyc, który jest na dalekiej orbicie od planety.

Jak wcześniej było wspomniane, subsatelita powinien się znajdywać blisko okrążanego księżyca, by zmaksymalizować jego przyciąganie grawitacyjne. Odległość ta jednak nie może być zbyt mała – musi znajdować się poza tzw. granicą Roche’a. Jest ona kresem strefy, w której siły pływowe większego ciała niebieskiego rozerwałyby swego satelitę. Jej wartość to przeważnie od 2 do 3 promieni ciała, lecz zależy od gęstości obu obiektów, więc może być mocno zróżnicowana.

${d}=R\cdot\sqrt[3]{2\frac{\rho_{M}}{\rho_{m}}}$

Dystans subsatelity od księżyca nie może być również zbyt duży. Ogranicza go strefa Hilla, czyli w tym przypadku obszar, w którym siła przyciągania grawitacyjnego księżyca jest większa od siły planety. Dla Ziemi wynosi ona około 1,5 mln km, natomiast dla Księżyca około 60 000 km. Zakres możliwych odległości dla potencjalnego subsatelity od Księżyca jest więc całkiem spory.

${r}\approx {a(1-e)}{\sqrt[3]{\frac{m}{3M}}$

Na górze obrazka jest żółte Słońce, które otacza białe pole, zakończone żółtą, kreskowaną linią, stanowiącą jej limit Roche'a. Poza tą strefą większość obrazka jest różowa, co przedstawia strefę Hilla Słońca. Na resztę obrazka składa się niebieskie pole, czyli strefa Hilla Ziemi oraz szara strefa Hilla Księżyca.

Cmglee via Wikimedia Commons

Obrazek pokazujący strefy Hilla i granice Roche’a w układzie Słońce – Ziemia – Księżyc.

Mając problem grawitacji za sobą, można przejść do kolejnej sprawy – odpowiedniej prędkości. Ciało może trafić na orbitę, dopiero gdy osiągnie odpowiednią prędkość, konkretnie prędkość orbitalną na danej wysokości. Opisuje ją wzór wyprowadzony z prawa powszechnego ciążenia i pokazuje on, że wartość wymaganej prędkości zależy od wysokości.

${v}=\sqrt{\frac{GM}{r}}$

Oprócz pojęcia prędkości orbitalnej istnieje również prędkość ucieczki. Jest to prędkość tak duża, że pozwala przezwyciężyć siłę grawitacji i wylecieć ze strefy Hilla ciała. Podobnie jak z odległością od planety, prędkość subsatelity musiałaby się więc mieścić w złotym środku.

Kandydaci na subsatelity

Biorąc to wszystko pod uwagę, najlepszymi kandydatami na zostanie subsatelitami są planetoidy, które zostałyby przez księżyc wyłapane. Miałyby one odpowiednią prędkość i realną okazję, by znaleźć się w optymalnej odległości. Ponadto są one na tyle małe, że nie zakłóciłyby orbity księżyca sferycznego.

Przypadki tego typu mogłyby występować nawet w Układzie Słonecznym. Aktualnym kandydatem do posiadania kiedyś subsatelity naturalnego jest księżyc Saturna, Rea. W 2005 roku sonda Cassini-Huygens odkryła bowiem brak wysoko energetycznych elektronów w magnetosferze Rei. Według zespołu naukowców odpowiadających za odkrycie wyjaśnieniem takiego zjawiska mogłyby być pierścienie, które by wychwyciły te elektrony. Gdy jednak sonda dokonała bardziej szczegółowych badań, opcja posiadania pierścieni została uznana za mało prawdopodobną. Mimo tego, jeżeli takowe by istniały, mogłyby powstać w wyniku rozpadu dawnego subsatelity.

Na pierwszym planie szara Rea z pierścieniami składającymi się z małych szarych kamyków. W tle natomiast niebieska przestrzeń kosmiczna i Saturn z własnymi pierścieniami.

NASA via Wikimedia Commons

Wizja artystyczna potencjalnych pierścieni Rei.

Mimo uznania odkrycia za mało prawdopodobne nie znaczy to, że księżyc Rea nigdy nie miał pierścieni. Otóż na równiku znajdują się niebieskie ślady, które mogłyby powstać poprzez akrecję takich właśnie pierścieni. Podobne zjawisko występuje na innym księżycu Saturna, Japecie. Tam z kolei powstało pewne wybrzuszenie, zapewne w wyniku analogicznego zjawiska. Jest ono za to znacznie większe. Sięga wysokości nawet 10 kilometrów, co czyni je jednym z najwyższych w Układzie Słonecznym.

NASA via Wikimedia Commons

Łańcuch górski na równiku Japeta.

Sytuacja przechwyconej planetoidy nie jest jednak jedynym możliwym przypadkiem, a jedynie jedynym prawdopodobnym w Układzie Słonecznym. Gdyby jednak przyjrzeć się szerszemu Wszechświatowi, to pojawiają się nowe rozwiązania. Świetnym przykładem jest planeta pozasłoneczna gwiazdy Kepler-1625, czyli pierwsza kandydatka do posiadania egzoksiężyca.

W tle znajduje się czarna przestrzeń kosmiczna oraz biały blask gwiazdy. Na pierwszym planie niebieski egzoksiężyc, natomiast za nim żółto-brązowa egzoplaneta.

NASA, ESA, i L. Hustak via Wikimedia Commons

Wizualizacja planety pozasłonecznej Kepler-1625b oraz jej potencjalnego egzoksiężyca.

Egzoplaneta Kepler-1625b już sama w sobie jest wyjątkowa – jest ona gorącym Jowiszem. Są to ciała około wielkości Jowisza, które jest rozgrzane do astronomicznie wielkich temperatur ze względu na bliskość orbity wokół gwiazdy. Dodatkowo ten konkretny obiekt charakteryzuje się za to znacznie większym rozmiarem niż Jowisz. Wielkość ta umożliwia tej planecie pozasłonecznej posiadanie hipotetycznego egzoksiężyca, znacznie większego niż jakikolwiek znany nam księżyc, bo aż rozmiarów Neptuna.

Z racji, że już sam księżyc w tym układzie jest wielkości planety w Układzie Słonecznym, subsatelita w tym układzie również mógłby być ogromny. Jeżeli wzorować się na Układzie Słonecznym to subsatelita ten mógłby być rozmiarów Trytona, największego księżyca Neptuna. Ma on średnicę około 2700 kilometrów, co jest większe od wszystkich znanych nam planet karłowatych. Co ciekawe, aktualną teorią znalezienia się Trytona na orbicie Neptuna jest to, że został on przechwycony, więc sytuacja w układzie Kepler-1625 mogłaby być bardzo podobna.

NOIRLab via Wikimedia Commons

Zdjęcie Trytona wykonane przez sondę Voyager 2.

Po przeanalizowaniu takiej możliwości może się nasunąć na myśl kolejne pytanie, „Czy księżyce księżyców mogą mieć księżyce?”. Brzmi jeszcze gorzej niż oryginalne pytanie, ale podobnie jak tamto, zasługuje na dalszą dyskusję. Jeżeli byśmy założyli, że odpowiedź na poprzednią kwestię brzmi tak, to w tym przypadku zapewne również by tak było. Taka sytuacja byłaby jednak jeszcze bardziej niestabilna, ze względu na większą ilość perturbacji. Ponadto sam subsatelita musiałby być wystarczająco duży, by coś mogło wokół niego krążyć, co eliminuje większość możliwości. Mimo tego nie da się jednoznacznie odpowiedzieć, gdyż jest wymagane zdecydowanie więcej badań, by móc to stwierdzić.

Ostatni problem – terminologia

Jak to zwykle bywa z nauką, największym problemem z nowymi zjawiskami nie jest ich zbadanie, a nazwanie. Tak jest również w tym przypadku, gdyż księżyce księżyców nie mają żadnej oficjalnej naukowej nazwy, i w języku polskim, i angielskim. W języku angielskim istnieją jednak potoczne nazwy (np. „moonmoon”, „moonette”, czy też „moooon”) czego nie można powiedzieć o języku polskim.

Podsumowując, jak wiele dziedzin astronomii, również ta pozostaje w dużym stopniu niezbadana. Niestety więc, oryginalne pytanie na razie pozostaje bez odpowiedzi. Nie wszystko jednak stracone, gdyż to tylko kwestia czasu, zanim znajdzie się wyjaśnienie tego problemu. Tymczasem, ludzkości pozostaje jedynie marzyć o tym, jak piękne byłyby takie ciała i rozważać warunki, w jakich mogłyby powstać.

Źródła:

Tagi