W badaniach opublikowanych w „Earth and Planetary Astrophysics” zespół amerykańskich naukowców podejmuje próbę oszacowania liczby księżyców, które teoretycznie mogłyby okrążyć Ziemię przy zachowaniu jej obecnych warunków, takich jak stabilność orbitalna. Badania te pozwalają na lepsze zrozumienie procesów formowania się planet, co może mieć zastosowanie przy identyfikacji tzw. egzoksiężyców krążących wokół podobnych do Ziemi egzoplanet.
W swojej wcześniejszej pracy dr Billy Quarles, adiunkt na Valdosta State University w stanie Georgia i współautor omawianej pracy, badał między innymi planety obecne w układzie Alfa Centauri. Oszacował liczbę planet, które mogłyby znajdować się w strefie mieszkalnej każdej z gwiazd należących do tego układu gwiazd. W tym scenariuszu strefa zamieszkiwalna zapewnia naturalne warunki brzegowe, w których można było zastosować taki sam formalizm dynamiczny co dla zagadnienia księżyców. Jeden z współautorów pracy Quarlesa opracował schemat, który ostatecznie wykorzystano do określenia... hipotetycznej liczby satelitów Ziemi.
W naszym Układzie Słonecznym jest ponad 200 (!) księżyców, ale jedynie trzy z nich okrążają planety skaliste: to Księżyc Ziemi oraz Fobos i Deimos, satelity Marsa (pomijamy tu tzw. pseudoksiężyce Ziemi). Pozostałe księżyce krążą wokół gazowych olbrzymów: Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna. Jak zauważają autorzy najnowszych badań, ich duża różnorodność jest naturalna, bo doświadczają one różnych mechanizmów formowania się i procesów ewolucji orbitalnej. W publikacji naukowcy omawiają, w jaki sposób maksymalna dopuszczalna liczba księżyców, które mogłyby istnieć wokół Ziemi, zależy od zakładanych rozmiarów samych księżyców. W tym przypadku użyto do oszacowań obiektów o rozmiarach Ceres, Plutona i Księżyca aby określić, jak wiele każdych tych ciał mogłoby krążyć wokół Ziemi. Wyniki pokazały, że stabilność orbitalna mogłaby być zachowana dla następujących satelitów: do 7 ±1 mas Ceres, 4 ±1 mas Plutona i 3 ±1 mas ziemskiego Księżyca.
Pewnym zaskoczeniem było to, że analizowane symulacje satelitów o niższej masie okazały się podlegać pod tym względem większym ograniczeniom. Autorzy publikacji przypisali to ich zwiększonemu prawdopodobieństwu rozpraszania się (wynikającemu z mniejszej bezwładności). Perturbacje wywoływane przez inne, sąsiadujące księżyce są po prostu wystarczająco silne, aby spowodować znaczne rozproszenie satelitów w czasie kilku tysięcy lat.
Jak widzimy na przykładzie księżyców galileuszowych Jowisza, małe satelity krążące wokół znacznie większego ciała planetarnego mogą doświadczać tak zwanego grzania pływowego, a wówczas ciągłe rozciąganie i ściskanie znacznie mniejszego księżyca przez siły grawitacji większego ciała prowadzą do interesujących efektów, takich jak wulkanizm na Io czy wewnętrzny ocean Europy. Pozostaje pytanie, czy także układ wielu księżyców Ziemi mógłby ich doświadczać? Grzanie pływowe księżyców byłoby zdaniem autorów jak najbardziej możliwe, ale nie jest jeszcze jasne, jaki byłby jego zakres i efekty. Potrzeba kolejnych, bardziej szczegółowych symulacji komputerowych. I choć ciekawy jest pomysł, że najbardziej wewnętrzny księżyc Ziemi mógłby przypominać Io, w rzeczywistości ogrzewanie pływowe tego satelity Jowisza jest częściowo spowodowane jego rezonansami orbitalnymi z innymi księżycami galileuszowymi. Natomiast w hipotetycznym ziemskim układzie wielu satelitów takie rezonanse w dużej mierze destabilizowałyby cały układ, bo znacznie bliższe Słońce przyczynia się w tym przypadku do wzrostu ekscentryczności każdego księżyca i w konsekwencji ich ewentualnego rozproszenia.
Badania te mogą również poszerzyć obecny zakres poszukiwań egzoksiężyców, czyli obcych księżyców okrążających egzoplanety. Niestety, podczas gdy liczba znanych egzoplanet jest już liczona w tysiącach, liczba potwierdzonych egzoksiężyców to nawet nie ułamek tej wartości. Obecnie mamy tylko dwóch dość wiarygodnych kandydatów na księżyce pozasłoneczne – to Kepler-1625b-i i Kepler-1708b-i. Ich planeta jest podobna do Jowisza. Księżyce te również większe od Ziemi. Te egzotyczne przypadki egzosatelitów mogą być jednak łatwiejsze do zidentyfikowania, tak jak planety – gorące Jowisze były łatwiejsze do zauważenia niż mniejsze planety w początkach odkrywania egzoplanet. Jednak już wkrótce po pojawieniu się pierwszych, dużych egzoplanet odkryto układy wielokrotne. Spodziewamy się zatem czegoś podobnego w przypadku egzoksiężyców.
Rzeczywiste warunki panujące w kosmosie najprawdopodobniej ograniczą górną liczbę księżyców danej planety bardziej niż zakładali to naukowcy w teoretycznych modelach. W pomiarach fotometrycznych obiekty tła mogą naśladować sygnał tranzytu kandydata na taki egzoksiężyc, ale nowa publikacja sugeruje konkretne, fizyczne podstawy do ograniczenia liczby spodziewanych księżyców podczas testowania różnych hipotez. Doktor Suman Satyal, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Teksańskim w Arlington i główny autor omawianych badań, zauważa również, że skoro Ziemia może mieć więcej niż jednego satelitę, zwiększa to również prawdopodobieństwo przyszłych odkryć egzoksiężyców. Daje to obserwatorom tych ciał pewne pojęcie na temat górnej granicy liczby księżyców krążących wokół planet o masie Ziemi, które z kolei orbitują wokół gwiazd podobnych do Słońca – podsumowuje uczony.
Ile jest zatem księżyców pozasłonecznych i czy istnieją podobne do Ziemi egzoplanety z wieloma księżycami, być może również zdolnymi do podtrzymania życia? Czas pokaże.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna publikacja: Moon-packing around an Earth-mass Planet, arXiv:2208.03604v1 [astro-ph.EP]
- Księżyce w Układzie Słonecznym
- Czy odkryto egzoksiężyc?
Źródło: Phys.org / UniverseToday
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Ziemia z wieloma (hipotetycznymi) satelitami. Źródło: Dr. Billy Quarles