Ведущий автор статьи — ХЁДО Рюки (Университет Кобе, Высшая школа наук), соавторы — профессор Себастьян Шарно (Институт физики мира / Университет Парижа Дидро), профессор ОХЦУКИ Кейджи (Университет Кобе, Высшая школа естественных наук). ) и доцент проекта GENDA Hidenori (Институт наук о Земле и жизни Токийского технологического института).У планет-гигантов в нашей солнечной системе очень разные кольца.
Наблюдения показывают, что кольца Сатурна более чем на 95% состоят из ледяных частиц, в то время как кольца Урана и Нептуна более темные и могут иметь более высокое содержание горных пород. Поскольку кольца Сатурна были впервые обнаружены в 17 веке, исследования колец расширились от наземных телескопов до космических аппаратов, таких как "Вояджеры" и "Кассини". Однако происхождение колец все еще оставалось неясным, а механизмы, которые приводят к разнообразным кольцевым системам, были неизвестны.Настоящее исследование сосредоточено на периоде, называемом поздней тяжелой бомбардировкой, который, как полагают, произошел 4 миллиарда лет назад в нашей солнечной системе, когда планеты-гиганты совершили орбитальную миграцию.
Считается, что несколько тысяч объектов размером с Плутон (одна пятая от размера Земли) из пояса Койпера существовали во внешней Солнечной системе за Нептуном. Сначала исследователи рассчитали вероятность того, что эти большие объекты прошли достаточно близко к планетам-гигантам, чтобы быть уничтоженными их приливной силой во время поздней тяжелой бомбардировки. Результаты показали, что Сатурн, Уран и Нептун несколько раз сталкивались с этими большими небесными объектами.
Затем группа использовала компьютерное моделирование, чтобы исследовать разрушение этих объектов пояса Койпера 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 приближения к планете. Однако они обнаружили, что во многих случаях осколки, составляющие 0,1-10% от начальной массы пролетающих объектов, захватывались на орбиты вокруг планеты. Суммарная масса этих захваченных фрагментов оказалась достаточной для объяснения массы текущих колец вокруг Сатурна и Урана.
Другими словами, эти планетарные кольца образовались, когда достаточно крупные объекты прошли очень близко к гигантам и были уничтожены.Исследователи также смоделировали долгосрочную эволюцию захваченных фрагментов с помощью суперкомпьютеров Национальной астрономической обсерватории Японии. На основе этого моделирования они обнаружили, что захваченные фрагменты с начальным размером в несколько километров, как ожидается, будут многократно подвергаться высокоскоростным столкновениям и постепенно разлетятся на мелкие кусочки.
Ожидается, что такие столкновения между фрагментами сделают их орбиты круговыми и приведут к образованию колец, наблюдаемых сегодня.Эта модель также может объяснить разницу в составе колец Сатурна и Урана. По сравнению с Сатурном, Уран (а также Нептун) имеет более высокую плотность (средняя плотность Урана составляет 1,27 г см-3 и 1,64 г см-3 для Нептуна, а у Сатурна 0,69 г см-3). Это означает, что в случае с Ураном (и Нептуном) объекты могут проходить в непосредственной близости от планеты, где они испытывают чрезвычайно сильные приливные силы. (Сатурн имеет более низкую плотность и большое отношение диаметра к массе, поэтому, если объекты проходят очень близко, они сталкиваются с самой планетой).
В результате, если объекты пояса Койпера имеют слоистые структуры, такие как скалистое ядро ??с ледяной мантией и проходят в непосредственной близости от Урана или Нептуна, в дополнение к ледяной мантии, даже скалистое ядро ??будет разрушено и захвачено, образуя кольца, которые включают скальный состав. Однако если они пройдут мимо Сатурна, только ледяная мантия будет разрушена, образуя ледяные кольца.
Это объясняет различный состав колец.Эти результаты показывают, что кольца планет-гигантов являются естественными побочными продуктами процесса образования планет в нашей солнечной системе.
Это означает, что планеты-гиганты, обнаруженные вокруг других звезд, вероятно, имеют кольца, образованные аналогичным процессом. Недавно было сообщено об открытии системы колец вокруг экзопланеты, и дальнейшие открытия колец и спутников вокруг экзопланет улучшат наше понимание их происхождения.Примечания(1) Поздняя тяжелая бомбардировка: период орбитальной нестабильности, произошедший в нашей солнечной системе примерно 4 миллиарда лет назад.
Считается, что в этот период было много маленьких тел, которые в конечном итоге не стали планетами, существовавшими на орбите за пределами Нептуна. В результате гравитационного взаимодействия с планетами-гигантами орбиты этих малых тел стали нестабильными, и многие из них вошли в солнечную систему и столкнулись с уже сформировавшимися планетами. Считается, что большинство кратеров на поверхности Луны образовалось именно в этот период.
(2) Объекты пояса Койпера: большое количество небольших тел из льда и камня, которые существуют за пределами орбиты Нептуна.