Obwohl die Gasriesen unseres Sonnensystems in Größe und Masse sehr unterschiedlich sind, haben sie etwas gemeinsam. Als diese Monde größer wurden, verlangsamte das übrig gebliebene Gas sie und sie fielen auf den Planeten, um verbraucht zu werden. Die Monde, die wir heute sehen, waren die letzten, die sich um ihre Elternplaneten bildeten, nachdem sich das Gas aufgelöst hatte.
Jeder der äußeren gasförmigen Planeten unseres Sonnensystems beherbergt ein System aus mehreren Satelliten. Zu diesen Objekten gehören Jupiters vulkanisches Io und Europa mit seinem vermuteten unterirdischen Ozean sowie Titan mit seiner dichten und organisch reichen Atmosphäre am Saturn. Während die einzelnen Satelliteneigenschaften variieren, weisen alle Systeme eine bemerkenswerte Ähnlichkeit auf: Die Gesamtmasse jedes Satellitensystems im Vergleich zur Masse seines Wirtsplaneten ist nahezu konstant, ungefähr 1: 10.000.
Forschungen von Wissenschaftlern des Southwest Research Institute, die in der Nature-Ausgabe vom 15. Juni veröffentlicht wurden, schlagen eine Erklärung vor, warum die gasförmigen Planeten diese Konsistenz aufweisen und warum die Satelliten von Gasplaneten im Vergleich zu ihrem Planeten so viel kleiner sind als die Hauptsatelliten von feste Planeten.
Jupiters vier galiläische Satelliten sind jeweils ungefähr gleich groß, während Saturn einen großen Satelliten zusammen mit zahlreichen viel kleineren Satelliten hat. Trotzdem beträgt die Gesamtmasse in beiden Satellitensystemen etwa ein Hundertstel Prozent (0,0001) der Masse des jeweiligen Planeten. Die Struktur des uranischen Satellitensystems ähnelt der von Jupiter und weist auch das gleiche Massenverhältnis auf. Im Gegensatz dazu enthalten die großen Satelliten fester Planeten viel größere Anteile der Masse ihres Planeten, wobei der Mond 1 Prozent (0,01) der Erdmasse und der Pluto-Satellit Charon mehr als 10 Prozent (0,1) seiner Masse enthält.
Warum haben die Gasplaneten, von denen jeder eine eigene Entstehungsgeschichte hat, Satellitensysteme, die einen konsistenten Anteil der Masse jedes Planeten enthalten, und warum ist dieser Anteil im Vergleich zu Satelliten mit festen Planeten so klein? Dr. Robin Canup und Dr. William Ward von der SwRI Space Studies Department schlagen vor, dass es das Vorhandensein von Gas, hauptsächlich Wasserstoff, während der Bildung dieser Satelliten war, das ihr Wachstum begrenzte und für eine gemeinsame Massenfraktion des Satellitensystems ausgewählt wurde.
Während sich die Gasplaneten bildeten, sammelten sie Wasserstoffgas und Feststoffe wie Gestein und Eis an. Es wird angenommen, dass das letzte Stadium der Entstehung eines Gasplaneten einen Zufluss von Gas und Feststoffen aus der Sonnenbahn in die Planetenbahn beinhaltet, wodurch eine Scheibe aus Gas und Feststoffen erzeugt wird, die den Planeten in seiner Äquatorebene umkreist. Es wird angenommen, dass sich innerhalb dieser Scheibe die Satelliten gebildet haben.
Canup und Ward waren der Ansicht, dass die Schwerkraft eines wachsenden Satelliten Spiralwellen in einer umgebenden Gasscheibe induziert und dass Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Wellen und dem Satelliten dazu führen, dass sich die Umlaufbahn des Satelliten zusammenzieht. Dieser Effekt wird stärker, wenn ein Satellit wächst. Je größer ein Satellit wird, desto schneller dreht sich seine Umlaufbahn nach innen zum Planeten. Das Team schlägt vor, dass das Gleichgewicht zweier Prozesse - der anhaltende Materialzufluss zu den Satelliten während ihres Wachstums und der Verlust von Satelliten durch Kollision mit dem Planeten - eine maximale Größe für einen Gasplaneten-Satelliten impliziert, die mit Beobachtungen übereinstimmt.
Das Team verwendet sowohl numerische Simulationen als auch analytische Schätzungen des Wachstums und des Verlusts von Satelliten und zeigt, dass mehrere Generationen von Satelliten wahrscheinlich waren. Die heutigen Satelliten waren die letzte überlebende Generation, die sich bildete, als das Wachstum des Planeten aufhörte und sich die Gasscheibe auflöste. Canup und Ward zeigen, dass während mehrerer Zyklen des Satellitenwachstums und -verlusts der Anteil der Planetenmasse, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in seinen Satelliten enthalten ist, über einen weiten Bereich von Modellparameterwahlen einen Wert beibehält, der sich nicht sehr von 0,0001 unterscheidet.
Die direkten Simulationen des Teams sind auch die ersten, die Satellitensysteme erzeugen, die denen von Jupiter, Saturn und Uranus in Bezug auf die Anzahl der Satelliten, ihre größten Massen und die Abstände der großen Satellitenbahnen ähnlich sind.
"Wir glauben, dass unsere Ergebnisse ein starkes Argument dafür sind, dass sich die Satellitensysteme von Jupiter und Saturn innerhalb von Scheiben gebildet haben, die produziert wurden, als sich der Planet selbst in seiner letzten Wachstumsphase befand", sagt Canup. "Der Ursprung des uranischen Satellitensystems bleibt jedoch ungewisser, und die Wahrscheinlichkeit, dass unsere Ergebnisse auf diesen Planeten anwendbar sind, hängt davon ab, wie Uranus seine axiale Neigung von fast 98 Grad erreicht hat, was ein Thema aktiver Studien ist."
Für extrasolare Systeme deutet diese Untersuchung darauf hin, dass die größten Satelliten eines Planeten mit Jupiter-Masse von Mond zu Mars groß sind, so dass von Exoplaneten in Jupiter-Größe nicht erwartet wird, dass sie Satelliten aufnehmen, die so groß wie die Erde sind. Dies ist relevant für die potenzielle Bewohnbarkeit von Satelliten in extrasolaren Systemen.
Die Forschungsprogramme Planetary Geology and Geophysics und Outer Planets der NASA finanzierten diese Forschung. Der Artikel „Eine gemeinsame Massenskalierung für Satellitensysteme gasförmiger Planeten“ von Canup und Ward erscheint in der Nature-Ausgabe vom 15. Juni.
Originalquelle: SwRI-Pressemitteilung
