Одна из интереснейших загадок космоса: Почему существуют каменистые и ледяные спутники, но нет газовых?

Спутники планет в нашей Солнечной системе имеют разный состав: есть каменистые спутники (например, Луна Земли), океанические (например, Европа, спутник Юпитера, и Энцелад Сатурна) и спутники из льда (например, Тритон, спутник Нептуна). Однако газовых спутников нет.

Почему? Есть ли физические причины, по которым газовые спутники не могут существовать? Или же их отсутствие — просто случайность?

Чтобы понять, почему газовых спутников нет, — по крайней мере, в нашей Солнечной системе, —необходимо сначала понять, как формируются газовые планеты-гиганты. Как рассказывает Space.com, есть два сценария формирования таких планет — «снизу вверх» и «сверху вниз».

Как формируются газовые гиганты? Два сценария

Газовые гиганты Солнечной системы, по словам ученых, сформировались по сценарию «снизу вверх».

Если бы мы могли вернуться во времени на 4,5 миллиарда лет назад, мы бы увидели молодое Солнце, окруженное диском из газа и пыли. Это протопланетный диск, из которого образовались все планеты. Сначала начали появляться каменистые тела, которые вбирали в себя пыль, камни и астероиды и разрастались. Некоторые достигли размеров Марса или Венеры, другие же продолжали расти, образуя гигантские скалистые тела, масса которых в 10 раз превышала массу Земли.

Когда они достигли такой массы, у них появилась достаточно сильная гравитация, чтобы начать притягивать к себе большие объемы газа из протопланетного диска. В итоге в системе образовались газовые планеты-гиганты Юпитер и Сатурн, а также более холодные «ледяные гиганты» Уран и Нептун.

Миссия НАСА «Юнона» к Юпитеру помогла найти доказательства в поддержку именно этого сценария развития планеты, обнаружив в ее центре гравитацию большого, скалистого, но диффузного ядра, которое примерно в десять раз превышает массу Земли.

Что касается сценария «сверху вниз», в этом случае, газовые планеты формируются непосредственно из коллапсирующего скопления газа в туманности, как это делают звезды. Когда большой комок газа сжимается и уплотняется под силой собственной гравитации, он начинает нагреваться. Но газ теплый обычно стремится расширяться, а чтобы продолжать сжиматься, газовый «комок» должен излучать избыточное тепло. Поэтому мы часто видим коллапсирующие газовые облака с тепловой инфракрасной энергией.

С другой стороны, излучение достаточного количества тепла, чтобы газ мог достаточно остывать и при этом продолжать сжиматься, зависит от непрозрачности пыли, температуры и ряда других факторов, и эффективность этого процесса связана и с размерами планеты: если она меньше, чем три массы Юпитера, этот процесс не будет работать как надо. Именно поэтому планеты меньше трех масс Юпитера не могут образоваться по сценарию «сверху вниз».

Почему в Солнечной системе нет газовых спутников?

Как и их планеты, большинство спутников в нашей Солнечной системе образовались по сценарию «снизу вверх» — в результате аккреции ядра в дисках остаточного материала, окружавших их родительские планеты (по понятным причинам второй сценарий бы не смог тут сработать). Поскольку планеты уже поглотили большую часть доступного материала, его просто не хватило, чтобы сформировать спутники настолько массивные, чтобы у них была достаточная гравитация для удержания большого количества газа. Не случайно лишь у одного спутика в Солнечной системе есть атмосфера — и это Титан, самый большой спутник Сатурна.

Получается, что в нашей системе просто не могли сформироваться газовые спутники планет — ни по одному из двух известных сценариев.

Еще один интересный факт: Луна, скорее всего, образовалась из материала, который оделился от Земли после столкновения с протопланетой размером с Марс. Может ли столкновение с газовой планетой-гигантом выбросить достаточно газа, чтобы сформировать газовую луну?

По словам ученых, это невозможно. Как отметила Джесси Кристиансен из Калифорнийского технологического института, скалистые планеты могут, конечно, столкнуться с газовыми: такое произошло, например, в 1994 году, когда комета Шумейкера-Леви 9 столкнулась с Юпитером. Но в результате таких столкновений скалистые планеты и кометы просто поглощаются газовыми гигантами и становятся их частью, а выброса в космос обломков, из которых могла бы сформироваться новая луна, не происходит.

Некоторые спутники не образуются из материала, отделившегося от планеты, а «захватываются» планетой: так, два спутника Марса, Фобос и Деймос, представляют собой захваченные астероиды. Самый дальний спутник Сатурна Феба — захваченный кометный объект, а спутник Нептуна Тритон — захваченный объект пояса Койпера. Все они сформировались сами по себе в космосе, а затем подошли слишком близко и были захвачены гравитацией планет.

Возникает вопрос: может ли небольшая газообразная планета быть захвачена более крупной газовой планетой и стать ее спутником? Пока четкого ответа на этот вопрос нет.

Газовые экзолуны все же существуют?

Интересно, что на самом деле газовые спутники, кажется, все же существуют! Но — не в Солнечной системе. Хотя на данный момент обнаружено более 5500 экзопланет, ученым удалось найти только две возможные экзолуны — Кеплер 1625b-i и Кеплер 1708b-i, однако ни одна из них еще не подтверждена на 100%. Скорее всего, они являются газовыми гигантами, вращающимися вокруг еще более крупных газовых гигантов.

Масса Kepler 1625b-i в 19 раз больше массы Земли (около 6% массы Юпитера), и он сопровождает газообразную планету с массой в 30 раз большей массы Земли и диаметром вдвое меньше, чем у Юпитера.

Kepler 1708b-i, вероятно, менее массивен, чем Kepler-1625b-i, его диаметр примерно в пять раз превышает размер Земли (примерно вдвое меньше, чем у Kepler-1625b-i), и он сопровождает планету-гиганта, в 4,6 раза более массивной, чем Юпитер.

По словам ученых, вряд ли эти два объекта могли образоваться одним из известных способов, скорее всего, они образовались как планеты, а потом их «захватили» более крупные газовые гиганты. В таком случае, получается, что они не настоящие спутники, а, скорее, пример двоихных планет — это когда две планеты вращаются вокруг общего центра масс в пространстве между ними, а не одна вращается вокруг другой.

Итак, по словам ученых, что-то наподобие газовых спутников, возможно, существует, но для их создания природе, похоже, пришлось прибегнуть к читерству.