Юпитер и Сатурн, две самые большие планеты в нашей Солнечной системе, также имеют самые обширные системы спутников. В настоящее время известно, что у Юпитера более 100 спутников, а у Сатурна, включая его знаменитую систему колец, — более 280.

Несмотря на такое большое количество спутников, их системы сильно отличаются друг от друга. У Юпитера четыре крупных спутника, в том числе Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе. У Сатурна же доминирует один крупный спутник — Титан, который занимает второе место по величине.

Поскольку обе планеты являются газовыми гигантами, ученые давно пытаются понять, почему их спутниковые системы развивались так по-разному. Существующие теории формирования спутников предлагают некоторые объяснения, но недавние исследования магнитных полей звезд показывают, что эти идеи, возможно, нуждаются в пересмотре. Один из ключевых вопросов связан с магнитной аккрецией и возможностью образования внутренней полости в околопланетном диске Юпитера — скоплении вещества, вращающегося вокруг планеты, из которого могут формироваться спутники.

Создание единой модели

Исследователи из Японии и Китая, в том числе группа ученых из Киотского университета, задались целью создать модель, которая могла бы объяснить обе системы с помощью одних и тех же физических принципов. Такая модель также могла бы помочь ученым понять процесс формирования спутников в других планетных системах.

«Проверить теорию формирования планет довольно сложно, поскольку в качестве образца у нас есть только наша Солнечная система, но рядом с нами есть множество спутниковых систем, детальные характеристики которых мы можем наблюдать», — говорит первый автор исследования Юрий И. Фуджи.

Чтобы изучить эволюцию Юпитера и Сатурна, команда провела численное моделирование их внутренней структуры на ранних этапах. Это позволило отследить изменения температуры и напряженности магнитного поля с течением времени. Ученые также смоделировали околопланетные диски, окружающие каждую из планет, и провели моделирование методом N-тел, чтобы изучить формирование и миграцию спутников. Эти расчеты были выполнены на кластере персональных компьютеров в Центре вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии.

Магнитные поля формируют системы спутников

Моделирование показывает, что различия в системах спутников Юпитера и Сатурна обусловлены особенностями структуры окружающих их дисков, на которую влияет сила магнитного поля.

Сильное магнитное поле Юпитера, вероятно, создало магнитосферную полость внутри его диска. Эта область могла помочь удержать и сохранить крупные спутники, такие как Ио, Европа и Ганимед.

Для сравнения: первоначальное магнитное поле Сатурна, по-видимому, было слишком слабым, чтобы образовать подобную полость, из-за чего мигрирующим спутникам было сложнее удержаться внутри диска.

Эти результаты дают основу для изучения экзолун и околопланетных дисков вокруг далеких газовых гигантов. Согласно модели, планеты размером с Юпитер или больше должны образовывать компактные системы с несколькими спутниками, в то время как планеты размером с Сатурн могут иметь всего один или два спутника. Исследователи планируют продолжить работу, чтобы лучше понять другие системы спутников, в том числе за пределами Солнечной системы.