Anche se i giganti gassosi del nostro Sistema Solare variano ampiamente per dimensioni e massa, hanno qualcosa in comune. Man mano che queste lune si ingrandivano, il gas residuo le rallentava e cadevano nel pianeta per essere consumate. Le lune che vediamo oggi sono state le ultime a formarsi attorno ai loro pianeti genitori, dopo che il gas si era dissipato.
Ognuno dei pianeti gassosi esterni del nostro Sistema Solare ospita un sistema di più satelliti, e questi oggetti includono l'Io e l'Europa vulcanici di Giove con il suo oceano sotterraneo creduto, così come Titano con la sua densa e ricca atmosfera organica a Saturno. Mentre le proprietà dei singoli satelliti variano, i sistemi condividono tutti una sorprendente somiglianza: la massa totale di ciascun sistema satellitare rispetto alla massa del suo pianeta ospite è quasi un rapporto quasi costante, all'incirca 1: 10.000.
La ricerca degli scienziati del Southwest Research Institute, pubblicata nel numero del 15 giugno di Nature, propone una spiegazione del perché i pianeti gassosi mostrano questa coerenza e perché i satelliti dei pianeti gassosi sono molto più piccoli rispetto al loro pianeta rispetto ai principali satelliti di pianeti solidi.
I quattro satelliti galileiani di Giove hanno dimensioni approssimativamente simili, mentre Saturno ha un satellite grande insieme a numerosi satelliti molto più piccoli. Anche così, la massa totale in entrambi i sistemi satellitari è circa il centesimo dell'uno percento (0,0001) della massa del rispettivo pianeta. La struttura del sistema satellitare uraniano è simile a quella di Giove e presenta anche lo stesso rapporto di massa. Al contrario, i grandi satelliti dei pianeti solidi contengono frazioni molto più grandi delle masse del loro pianeta, con la Luna contenente l'1 percento (0,01) della massa terrestre e il satellite di Plutone, Caronte, contenente oltre il 10 percento (0,1) della sua massa.
Perché i pianeti gassosi, ognuno con storie di formazione uniche, hanno sistemi satellitari che contengono una frazione consistente della massa di ciascun pianeta, e perché questa frazione è così piccola rispetto ai satelliti dei pianeti solidi? Il dott. Robin Canup e il dott. William Ward del dipartimento di studi spaziali SwRI propongono che fu la presenza di gas, principalmente idrogeno, durante la formazione di questi satelliti che ne limitò la crescita e selezionò una frazione di massa del sistema satellitare comune.
Man mano che i pianeti gassosi si formavano, accumulavano idrogeno gassoso e solidi come roccia e ghiaccio. Si ritiene che lo stadio finale della formazione di un pianeta gassoso coinvolga un afflusso di gas e solidi dall'orbita solare all'orbita planetaria, producendo un disco di gas e solidi in orbita attorno al pianeta nel suo piano equatoriale. È all'interno di quel disco che si ritiene che si siano formati i satelliti.
Canup e Ward hanno ritenuto che la gravità di un satellite in crescita induce onde a spirale in un disco di gas circostante e che le interazioni gravitazionali tra queste onde e il satellite causino la contrazione dell'orbita del satellite. Questo effetto diventa più forte man mano che un satellite cresce, in modo che quanto più grande diventa un satellite, tanto più veloce è la sua orbita a spirale verso l'interno verso il pianeta. Il team propone che l'equilibrio di due processi - l'afflusso in corso di materiale ai satelliti durante la loro crescita e la perdita di satelliti in collisione con il pianeta - implica una dimensione massima per un satellite del pianeta gassoso coerente con le osservazioni.
Utilizzando sia simulazioni numeriche sia stime analitiche della crescita e della perdita di satelliti, il team mostra che erano probabili più generazioni di satelliti, con i satelliti di oggi l'ultima generazione sopravvissuta che si è formata quando la crescita del pianeta ha cessato e il disco di gas si è dissipato. Canup e Ward dimostrano che durante molteplici cicli di crescita e perdita dei satelliti, la frazione della massa del pianeta contenuta nei suoi satelliti in qualsiasi momento mantiene un valore non molto diverso da 0,0001 in una vasta gamma di scelte di parametri del modello.
Le simulazioni dirette del team sono anche le prime a produrre sistemi satellitari simili a quelli di Giove, Saturno e Urano in termini di numero di satelliti, masse più grandi e distanze delle grandi orbite satellitari.
"Riteniamo che i nostri risultati presentino un forte esempio del fatto che i sistemi satellitari di Giove e Saturno si siano formati all'interno dei dischi prodotti mentre il pianeta stesso era nelle sue fasi finali di crescita", afferma Canup. "Tuttavia, l'origine del sistema satellitare uraniano rimane più incerta, e la probabilità che i nostri risultati siano applicabili a quel pianeta dipende da come Urano ha raggiunto la sua inclinazione assiale di quasi 98 gradi, che è un argomento di studio attivo."
Per i sistemi extrasolari, questa ricerca suggerisce che i più grandi satelliti di un pianeta di massa di Giove avrebbero dimensioni da Luna a Marte, quindi non ci si aspetterebbe che pianeti extrasolari di dimensioni gioviane ospitino satelliti grandi quanto la Terra. Ciò è rilevante per la potenziale abitabilità dei satelliti nei sistemi extrasolari.
I programmi di ricerca di geologia planetaria e geofisica e pianeti esterni della NASA hanno finanziato questa ricerca. L'articolo, "Un comune ridimensionamento di massa per sistemi satellitari di pianeti gassosi", di Canup e Ward, appare nel numero di Nature del 15 giugno.
Fonte originale: Comunicato stampa SwRI
