Формирование планетных спутников

Ранние теоретические оценки и современные наблюдения показали, что каждая третья звезда имеет планетную систему как следствие коллапса облаков, угловой момент которых недостаточен для формирования двойных звезд, но слишком велик для аккумуляции его одиночной звездой. Наблюдаемая непрерывная функция масс экзопланет (10 M_J–0.1M_J) и ее бимодальный характер для короткопериодических экзопланет (P<10^d) есть отражение двух механизмов: столкновительной аккумуляции астероидов, ответственной за образование планет земной группы, и гравитационной неустойчивости околозвездного диска, определяющей образование планет-гигантов. 

        Эта же сегрегация, вероятно, закладывается на следующий уровень планетной иерархии – спутников планет. Планеты-гиганты имеют помногу спутников, массы которых в тысячи раз меньше планетной, а плоскость их орбит близки к экваторам родительских планет. Карликовые планеты не имеют спутников. Системы Земля-Луна и Плутон-Харон логично отнести к классу двойных планет, исходя из анализа отношения их масс (~0.01 и 0.1), а также запаса орбитального углового момента, и что притяжение со стороны Солнца сильнее по сравнению с их взаимным притяжением. Такой расклад объясняется ресурсом углового момента околозвездного диска, определяющего размер газового околопланетного диска в пределах полости Роша планеты: a >10¹³ (M/M_o)^1/3 см, a – большая полуось планеты. При малых a не образуется околопланетный диск, что объясняет отсутствие спутников у планет земной группы. 

       Другой важный критерий разделения планет на гиганты и карлики – их взаимодействие с остатками строительного материала, распределенного в околосолнечном пространстве, такого как Астероиды, Кометы и малые Планетные тела (АКП). Условие освобождения АКП-объекта из гравитационного поля планеты m/r>M/a, где m, r – масса и радиус планеты, M – масса звезды. Массивная планета, как Юпитер, своей гравитацией собирает остатки протопланетного диска в АКП-облако вокруг себя подобно компактной «солнечной системе», а часть АКП-тел ускоряет до освобождения за пределы Солнечной Системы, пополняя резервуар облака Оорта. Карликовые планеты, к числу которых относится Земля, не имеют такого потенциала, чтобы далеко забросить АКП, но способны возмутить движение некоторых из них, заставив их блуждать в области пространства, ограниченного «снизу» радиусом полости Роша планеты, «сверху» - размером ее орбиты. Соотношение возраста планет и времени блуждания АКП указывает на возможность события гравитационного захвата спутника. Такой сценарий актуален в раннюю эпоху планетообразования, когда плотность АКП-объектов была высока.

         Для количественной иллюстрации этих рассуждений нами было проведено численное моделирование в постановке задачи трех (Солнце, Юпитер, АКП-объекты) и четырех (с учетом Земли) тел. Прямое численное моделирование орбитальной истории АКП-тел на интервале времени 10⁵ лет показало принципиальное различие в распределении АКП-объектов в поле планеты гиганта и карлика. Демонстрируется активное участие Юпитера в формировании системы своих спутников, облака Оорта и свободных планет. За это же время Земля не успевает расчистить себе орбиту от АКП-объектов и сформировать вокруг себя стабильное облако спутников, часть из которых она поглощает, а часть «забрасывает» не дальше орбиты Марса или Венеры. Эти результаты моделирования подчеркивают уникальность двойных планет, как Земля-Луна, и оставляют приоритет за сценарием гравитационного захвата, как причины появления спутника у карликовой планеты.