Planeta karłowata Pluton i jej układ pięciu księżyców są tak samo tajemnicze jak podziemny świat starożytności, który zainspirował ich imiona. Pluton, średnio około 3, 7 miliarda mil od Ziemi, jest jedyną z oryginalnych dziewięciu planet, które należy jeszcze obserwować z bliskiej odległości - choć zmieni się to, gdy sonda New Horizons wykona przelot w połowie lipca. Ma również niepotwierdzoną liczbę księżyców, co dodatkowo komplikuje obliczenia trajektorii orbity.
powiązana zawartość
- Sonda Plutona znajduje niespodzianki przed swoim bliskim spotkaniem
- Konkurs porwania Williama Shatnera na imię Księżyca Plutona
„Jeśli sondujesz mój zespół naukowy, jestem całkiem pewien, że większość byłaby zaskoczona, gdyby nie znaleźć więcej księżyców” - mówi Alan Stern, główny badacz misji New Horizons. „Pytanie, czy znajdziemy 2, 10 czy 20? Nie postawiłbym zakładów na zero. ”
Nowe badanie opublikowane w tym tygodniu w Nature pomaga nam lepiej zrozumieć orbity znanych księżyców Plutona, co z kolei może dostarczyć wskazówek dotyczących mechaniki egzoplanet krążących wokół bliźniaczych gwiazd. Ale praca wskazuje również na pewne niespójności, które sugerują, że formowanie się tych księżyców jest wciąż zagadką.
Pluton i jego największy księżyc, Charon, są uwięzieni w tańcu binarnym, krążącym wokół wspólnego środka masy ze względu na wzajemne oddziaływanie grawitacyjne. Cztery inne znane satelity w tym systemie - Styks, Nix, Kerberos i Hydra - również krążą wokół tego wspólnego centrum, a nie samego Plutona. Oznacza to, że mają dziwne wahania na swoich prawie okrągłych orbitach i zachowują się inaczej niż inne księżyce w Układzie Słonecznym.
Ta złożona relacja orbitalna, w połączeniu z trudnością w obserwowaniu odległego układu, utrudniła ustalenie, jak powstał Pluton i jego rodzina. Wiodąca teoria głosi, że podobnie jak gigantyczny zderzenie, które uformowało księżyc Ziemi, Charon urodził się, gdy duży obiekt uderzył w Plutona podczas gwałtownego formowania się Układu Słonecznego, a inne małe księżyce zgromadziły się z resztek gruzu.
Zdjęcia z nowych horyzontów zrobione w kwietniu pokazują Plutona i Charona krążących wokół wspólnego centrum masy. (Animowany gif przez NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute) „Nadal jesteśmy zdumieni tym, jak powstał system” - mówi współautor badań Mark Showalter, starszy naukowiec z Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute. „Myślę, że wszyscy wierzą, że w pewnym momencie w dalekiej przeszłości duży obiekt uderzył w„ proto-Plutona ”, a księżyce uformowały się z chmury szczątków. Jednak po tym punkcie historii szczegóły stają się bardzo szkicowe. ”
Analiza danych zebranych z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a po odkryciu Kerberosa i Styxa sugeruje, że Styx jest zamknięty w rezonansie orbitalnym z Nixem i Hydrą, wspierając teorię uderzenia. Rezonans orbitalny ma miejsce, gdy wiele ciał wywiera na siebie regularny, okresowy wpływ grawitacyjny, tak że wykonują swoje orbity w przewidywalny sposób. Najbardziej znanym przykładem jest rezonans Laplace'a trzech księżyców Jowisza, Io, Europa i Ganymede, które mają rezonans orbitalny 1: 2: 4. Oznacza to, że Io krąży wokół Jowisza cztery razy dla każdego obrotu Ganimedesa, podczas gdy Europa krąży dwa razy w tym samym czasie.
Modele matematyczne Showaltera pokazują, że rezonanse wszystkich pięciu księżyców Plutona mogły zostać zablokowane w relacji 1: 3: 4: 5: 6 po uderzeniu tworzącym Charona, bardzo zbliżonym do bieżącego stosunku okresów orbit dla księżyców Plutona. Teoria ta wyjaśnia także pozostały rezonans Styksa, Nixa i Hydry. Jest jednak czynnik komplikujący: inne ciała w układzie Plutona wprowadzają chaos w stabilną konfigurację księżyców.
Styks, Nix i Hydra wydają się być przez większość czasu zablokowane w rezonansie, ale Nix i Hydra są okresowo pogrążone w chaosie i trudno było ustalić przyczynę. Chaotyczne orbity pojawiają się, gdy oś obrotu niesferycznego obiektu znacznie się kołysze, zapobiegając spadnięciu na orbitę synchroniczną. Na przykład „gąbkowy” księżyc Saturna Hyperion obraca się chaotycznie, a astronomowie uważają, że jego chwiejny ruch jest spowodowany rezonansem orbitalnym 3: 4 Hyperiona z większym księżycem Tytanem. Ale nowa fotometria i modele dynamiczne prowadzone przez Showalter sugerują, że układ podwójny, taki jak Pluton i Charon, może również powodować chaotyczny obrót księżyców niesferycznych, więc nawet przy chaotycznych orbitach Nixa i Hydry scenariusz zderzenia wydaje się prawdopodobny.
Zdjęcie Hubble'a z 2012 roku przedstawia Plutona z jego pięcioma znanymi księżycami. (NASA, ESA i M. Showalter (SETI Institute)) Kerberos wrzuca jednak klucz do teorii uderzeń. Na podstawie danych obserwacyjnych z Hubble'a, Nix i Hydra wydają się być jasnymi obiektami, podobnymi do Charona. Ale Kerberos wydaje się znacznie ciemniejszy. Dzięki masie, która jest w przybliżeniu jedną trzecią masy Nixa i Hydry, Kerberos odbija tylko około 5 procent tyle światła słonecznego. Gdyby mniejsze księżyce Plutona powstały z zagregowanego materiału pojedynczego dużego zderzenia, wówczas mieliby bezpośredni związek między rozmiarem a jasnością. Heterogeniczny system satelitarny, taki jak Plutona, pozostaje zagadką.
„Te badania są trochę jak archeologia”, mówi Showalter. „Właśnie odkryliśmy kilka kawałków starożytnej ceramiki, ale nie wiemy jeszcze, jak pasują do siebie”.
Przelot New Horizons systemu Pluto 14 lipca pomoże odpowiedzieć na wiele pytań postawionych w artykule Nature . Instrumenty na Nowych Horyzontach będą w stanie ustalić, czy Kerberos jest naprawdę ciemniejszy niż inne księżyce, i wykonają dokładne pomiary kształtów wszystkich księżyców Plutona. Być może najbardziej ekscytujące, przelot ujawni, czy istnieją inne księżyce lub pierścienie, które wpływają na złożoną mechanikę orbitalną układu Plutona.
„Każdy układ planetarny ma do opowiedzenia historię formacyjną”, wyjaśnia Showalter. „Zrozumienie ich historii pomaga nam zrozumieć inne rodzaje dysków astrofizycznych, w tym galaktyki i systemy egzoplanetarne. Istnieje wiele znanych „planet krążących”, które krążą wokół dwóch gwiazd zamiast jednej - pomyśl Luke Skywalker o zachodzie słońca na Tatooine. Myślę, że system Plutona pokazuje nam nowe szczegóły na temat działania tych znacznie większych układów dynamicznych. ”
