Księżyce (naturalne satelity planet) występują w wielu formach. W Układzie Słonecznym mamy księżyce skaliste (takie jak Księżyc Ziemi), księżyce oceaniczne (np. Europa i Enceladus) i zamarznięte księżyce lodowe (Tryton), ale wydaje się, że nigdzie nie ma księżyców gazowych. Czy są fizyczne powody, dla których nie mogą one istnieć?
Zacznijmy od czegoś dość sensacyjnego – otóż satelity gazowe istnieją. Jednak nie znajdują się one w Układzie Słonecznym. Do tej pory odkryto ponad 5500 egzoplanet, krążących wokół gwiazd innych niż Słońce, a także dwa potencjalne egzoksiężyce. Należy zaznaczyć, że oba nie są jeszcze na 100% potwierdzone, a najciekawsze jest w nich chyba to, że są one gazowymi olbrzymami, krążącymi wokół jeszcze większych gazowych olbrzymów. Nie dajmy się zwieść – to tylko wyjątek potwierdzający pewną regułę.
Aby zrozumieć, dlaczego nie ma księżyców gazowych (przynajmniej w naszym Układzie Słonecznym), należy najpierw wyjaśnić, w jaki sposób powstają planety gazowe. Istnieją dwa scenariusze ich formowania się. Jeden z nich określany jest jako oddolny, a drugi jako odgórny.
Formacja oddolna, czyli tzw. akrecja rdzenia, to sposób, w jaki prawdopodobnie uformowały się gazowe planety olbrzymy w naszym Układzie. Gdybyśmy mogli cofnąć się w czasie o 4,5 miliarda lat, bylibyśmy świadkami istnienia młodego Słońca otoczonego grubym dyskiem z gazu i pyłu. To właśnie dysk protoplanetarny, z którego wyłoniły się z czasem wszystkie planety. Najpierw uformowały się one jako ciała skaliste, rosnąc w miarę gromadzenia na sobie coraz większych ilości pyłu, kamyków i planetoid. Niektóre z nich urosły do rozmiarów Marsa lub Wenus, ale inne nadal rosły, tworząc gigantyczne ciała skaliste o masie nawet do 10 razy większej niż masa Ziemi. Gdy stały się tak masywne, miały wystarczająco silną grawitację, aby zacząć pochłaniać, czy też wyrywać, duże ilości gazu z dysku protoplanetarnego. To, ile gazu z niego zagrabiły i jak duże urosły, zależało od ich grawitacji i ilości dostępnego w dysku gazu.
Ostatecznie w naszym Układzie Słonecznym pozostały cztery gazowe olbrzymy: Jowisz i Saturn oraz chłodniejsze lodowe olbrzymy, czyli Uran i Neptun. Misja Juno do Jowisza pomogła agencji kosmicznej NASA znaleźć pewne dowody na poparcie modelu akrecji jądra, wykrywając pole grawitacyjne dużego, skalistego, ale rozproszonego jądra o masie około dziesięciokrotnie większej niż masa Ziemi – w centrum gazowego Jowisza.
Planety Układu Słonecznego uformowały się w dysku protoplanetarnym w procesie oddolnej akrecji jądra. (NASA/FUSE/Lynette Cook)
W modelu odgórnym światy gazowe powstają z kolei bezpośrednio z zapadającej się objętości gazu w mgławicy gazowej, podobnie jak gwiazdy. Istnieje jednak minimalna ilość masy, która może zapaść się w takim procesie. Gdy duży kłąb takiego gazu kurczy się pod wpływem własnej grawitacji, nagrzewa się, ponieważ gaz jest upakowany w coraz mniejszej objętości, stając się przy tym coraz gęstszym ośrodkiem. Jednak gdy gaz jest ciepły, ma tendencję do rozszerzania się, więc aby móc nadal się kurczyć, taka kępa gazu musi wypromieniować nadmiar ciepła. W rezultacie często widzimy zapadające się kłęby gazu świecące w termicznej podczerwieni.
Istnieje tu jednak czynnik ograniczający, zwany "granicą nieprzezroczystości dla fragmentacji". Wypromieniowanie wystarczającej ilości ciepła, aby gaz mógł ostygnąć i nadal się zapadać, zależy od nieprzezroczystości pyłu, temperatury i gęstości. Proces staje się znacznie mniej wydajny w przypadku mniejszych obiektów – aż do punktu, w którym, przy masie około 3 mas Jowisza, nie może już wypromieniować wystarczającej ilości ciepła, aby nadal się zapadać. Im mniejsza objętość, tym bardziej skoncentrowany i nieprzezroczysty staje się pył, a proces wypromieniowywania nadmiaru ciepła przy grawitacyjnym kurczeniu się staje się coraz bardziej nieefektywny. Ostatecznie nic mniej masywnego niż 3 masy Jowisza nie może powstać w procesie odgórnym, wliczając w to planety i księżyce..
Podobnie jak ich planety, większość księżyców w naszym Układzie Słonecznym powstała więc prawdopodobnie w wyniku oddolnego procesu akrecji jądra w dyskach złożonych z resztek materiału, które otaczały ich planety macierzyste. A ponieważ planety pochłonęły już większość dostępnego materiału, po prostu nie pozostało go wystarczająco dużo, aby uformować księżyc wystarczająco masywny, aby miał on wystarczającą grawitację do utrzymania dużej ilości gazu. W tym miejscu warto zaznaczyć, że tylko jeden księżyc w Układzie Słonecznym posiada atmosferę. To największy księżyc Saturna - Tytan.
Podobnie, proces odgórny nie mógł w przypadku księżyców w ogóle mieć miejsca, ponieważ po uformowaniu się planet w naszym układzie nie pozostało wystarczająco dużo gazu. A gdyby nawet był możliwy, przy co najmniej 3 masach Jowisza (wspomniana wcześniej granica mas) powstały w ten sposób satelita byłby największym światem w Układzie Słonecznym.
Podsumowując, nie da się wytworzyć gazowych księżyców za pomocą dwóch najbardziej konwencjonalnych i zgodnych z obserwacjami procesów tworzenia się gazowych światów. Istnieje jednak kilka osobliwości w Układzie Słonecznym, które powstały w inny sposób.
Księżyc Ziemi prawdopodobnie uformował się z materiału wyrzuconego z samej Ziemi po jej kolizji z protoplanetą wielkości Marsa. Odłamki po zderzeniu utworzyły pierścień, który po dłuższym czasie zbudował ziemski Księżyc poprzez akrecję jądra. Czy jednak zderzenie jakiegoś ciała z gazowym olbrzymem może wyrzucić wystarczającą ilość gazu, aby uformować jego gazowy księżyc? Raczej nie. Wystarczy wspomnieć zderzenie komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem w 1994. Kometa wówczas po prostu zniknęła. To, co zderza się z gazowym olbrzymem, zostaje przez niego wchłonięte i staje się jego częścią, nie odrzucając pozostałości w formie pierścienia czy dysku na orbitę tego olbrzyma.
Innym ciekawym zjawiskiem są przechwycone księżyce. Dwa księżyce Marsa, Fobos i Deimos, są przechwyconymi planetoidami. Najbardziej oddalony księżyc Saturna, Phoebe, jest przechwyconym obiektem kometarnym, a księżyc Neptuna Tryton jest przechwyconym obiektem Pasa Kuipera. Nie uformowały się one wokół swojej planety, lecz samodzielnie w przestrzeni kosmicznej, a następnie zawędrowały zbyt blisko i zostały złapane przez grawitację planety. Nasuwa się więc pytanie, czy mniejsza gazowa planeta może zostać schwytana przez większą gazową planetę? W końcu gazowe światy mogą mieć masę nawet kilkanaście razy większą od masy Jowisza, więc w zasadzie mogłyby z łatwością złapać gazowy świat o masie Neptuna.
To akurat jest dość prawdopodobne. Dwie kandydatki na egzoplanety wspomniane na początku artykułu – Kepler 1625b-i i Kepler 1708b-i – to gazowe olbrzymy podobne do planet, które jednak... zachowują się jak satelity jeszcze większych gazowych olbrzymów. Należy jednak podkreślić, że oba obiekty są na razie wciąż tylko kandydatami na egzosatelity, a sprawa wymaga dalszych badań.
Zakładając, że mamy jednak do czynienia z prawdziwymi egzoksiężycami, Kepler 1625b-i ma masę 19 razy większą od Ziemi (około 6% masy Jowisza, co czyni go obiektem podobnym do Neptuna) i towarzyszy gazowej planecie o masie 30 razy większej od Ziemi i średnicy o połowę mniejszej od Jowisza. Kepler 1708b-i jest prawdopodobnie mniej masywny: ma średnicę około pięć razy większą od Ziemi (około połowę mniejszą niż Kepler-1625b-i) i krąży wokół olbrzymiej planety, 4,6 razy masywniejszej od Jowisza. Obecność takich satelitów innych planet jest dla astronomów zagadką, bo podważają one wiele teorii. W szczególności nie jest łatwo wymyślić sposób, w jaki mogły powstać, zatem zakłada się ostrożnie, że musiały zostać wychwycone przez planety, podobnie jak skaliste satelity Marsa. To sprawiłoby, że byłyby one w zasadzie podobne do wszystkich przechwyconych księżyców w naszym Układzie Słonecznym: uformowałyby się jak planety z procesie akrecji jądra w dysku, a następnie zostały złapane na skutek procesu ich migracji w kierunku swojej macierzystej gwiazdy.
Migracja planet jest bardzo powszechnym procesem w młodych układach planetarnych. W ten sposób astronomowie tłumaczą na przykład istnienie planet w typie gorących Jowiszy, czyli gazowych olbrzymów krążących bardzo blisko swoich gwiazd, które jednak w żaden sposób nie mogły oryginalnie powstać tak blisko nich. W przypadku egzoksiężyców Kepler 1625b-i i 1708b-i podczas ich migracji zostałyby one złapane i przechwycone przez większe planety, które znajdowały się już wcześniej bliżej gwiazdy na ich drodze ku niej.
Autorzy artykułu podkreślają, że w takim scenariuszu prawdopodobnie nie są one mimo wszystko "prawdziwymi" księżycami. To bardziej przykłady planet podwójnych niż egzoksiężyców. Podwójna planeta to sytuacja, w której oba globy krążą wokół wspólnego środka mas. Mamy taką podwójną planetę także w Układzie Słonecznym, w postaci Plutona i jego największego towarzysza, Charona. Istnieją więc księżyce gazowe, ale aby je stworzyć, natura musi trochę oszukiwać.
Czytaj więcej:
Źródło: Space.com / Keith Cooper
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Artystyczne wyobrażenie kandydata na egzoksiężyc Kepler-1625b-i, okrążanej przez niego planety i gwiazdy znajdującej się w centrum układu. (NASA, ESA, and L. Hustak (STScI)
