Nowy model opisujący powstanie czterech wielkich księżyców Jowisza (tak zwanych satelitów galileuszowych: Io, Europy, Ganimedesa i Callisto) może połączyć ich podstawowe cechy z formowaniem się satelitów z dysku pyłu i gazu okrążających Jowisza pod koniec okresu wzrostu planety. Model może być dużym krokiem w zrozumieniu powstania wielkich satelitów największej z planet.

Ufundowane przez NASA obliczenia wykonane przez dwójkę uczonych z Southwest Research Institute (SwRI) pokazują, że powolny wzrost księżyców z ubogiego w gaz dysku doprowadził do najważniejszych ich obecnych cech. Nowy model rozwiązuje problem ich składu, niezwykłej struktury wewnętrznej najodleglejszego z nich – Callisto, oraz faktu przetrwania tych wielkich obiektów mimo niszczącego działania dysku. Odkrycia zostały opublikowane w grudniowym numerze Astronomical Journal.

Uczeni od dawna wiedzieli, że gęstości satelitów galileuszowych maleją wraz ze wzrostem ich odległości od planety. Ten trend wskazuje na coraz większy udział w składzie chemicznych mającego niską gęstość lodu. Dwa najdalsze obiekty – Ganimedes i Callisto zdają się mieć połowę swoich mas w postaci lodu i połowę w postaci skał. Badania wykonane przez sondę Galileo pokazują, że wnętrze Callisto nie jest rozdzielone na centralne jądro i otaczający je płaszcz, a to oznacza, że księżyc musiał tworzyć się powoli – przez ponad 100 tysięcy lat. Tylko w ten sposób jego wnętrze mogło uniknąć stopienia. Łączna masa satelitów wskazuje, że ilość gazu i składników stałych (lodu i skał) potrzebna do utworzenia tych obiektów wynosiła zaledwie 2 procent masy Jowisza.

Wcześniejsze modele zakładały, że wszystkie księżyce uformowały się jednocześnie z dysku okrążającego Jowisza i zawierającego około 2 procent jego masy. Zakładano, że najpierw powstał dysk, a księżyce utworzyły się w jego wnętrzu. Jednak temperatura w tak masywnym i bogatym w gaz dysku byłaby zbyt wysoka, aby w okolicach Ganimedesa i Callisto mógł utrzymać się lód. Tak więc satelity musiały utworzyć się szybko – mniej więcej w 1000 lat. Ponadto oddziaływanie księżyców z dyskiem doprowadziłoby do ich spadku na planetę w czasie porównywalnym z czasem ich tworzenia.

Nowy model nie zakłada, że cała materia potrzebna do utworzenia czwórki była obecna w dysku jednocześnie. Zamiast tego – materiał był dostarczany do dysku przez dłuższy okres czasu. Duża masa powstałego już Jowisza ściągała w swoje otoczenie cząstki krążące wcześniej wokół Słońca.

Zgodnie z tą nową propozycją, księżyce rosły stopniowo, gdy materiał był dostarczany do dysku. Cząstki stałe skupiały się na orbitach bliższych planecie i tworzyły ciała o większej gęstości. Gaz był wypychany z wnętrza układu i dalej od planety tworzyły się ciała o mniejszej gęstości. W nowym modelu temperatura dysku jest wystarczająco niska aby utworzenie Ganimedesa i Callisto było możliwe. Nowy model przewiduje, że satelity powstawały stosunkowo wolno – przez 100 tysięcy do miliona lat. Jest to zgodne z wewnętrzną budową Callisto.

Siłą tego modelu jest to, że łączy ze sobą szeroki wachlarz własności chemicznych i dynamicznych satelitów galileuszowych w jeden spójny obraz” – powiedział autor pracy dr Robin Canup, profesor z SwRI Space Studies Department.

Jednym z przewidywań modelu jest stwierdzenie, że księżyce mogą w czasie swego formowania się migrować w kierunku planety na odległości proporcjonalne do swojej masy. Inna praca (wykonana przez Peale’a i Lee w 2002 roku) pokazuje, że taka migracja może doprowadzić do pojawienia się tak zwanego rezonansu Laplace’a. Taki rezonans to konfiguracja zachodząca na przykład pomiędzy trójką wewnętrznych księżyców Jowisza: Io wykonuje cztery obiegi w czasie dwóch obiegów Europy i jednocześnie w czasie jednego obiegu Ganimedesa. Powstanie takiego rezonansu prowadzi do intensywnego nagrzewania się wnętrz satelitów. W przypadku Io doprowadziło to do powstania wulkanizmu.

Zrozumienie układu Jowisza ma również duże znaczenie dla badań powstawania pozasłonecznych układów planetarnych.

Autor

Michał Matraszek