Новые симуляции проливают свет на происхождение колец и ледяных лун Сатурна
В ясную ночь в любительский телескоп с поверхности Земли можно увидеть Сатурн и ряд его замечательных колец. Но как появились эти кольца? И что они могут рассказать нам о Сатурне и его лунах - одном из потенциальных мест, где НАСА надеется искать жизнь? Новая серия суперкомпьютерных симуляций предложила ответ на загадку происхождения колец, которая связана с мощным столкновением, случившимся в те времена, когда на Земле ещё бродили динозавры.
Согласно новым исследованиям НАСА и его партнёров, кольца Сатурна могли образоваться из обломков двух ледяных лун, которые столкнулись и разрушились несколько сотен миллионов лет назад. Обломки, не попавшие в кольца, могли также способствовать формированию некоторых современных лун Сатурна.
"Мы ещё многого не знаем о системе Сатурна, в том числе о его лунах, на которых существует среда, пригодная для жизни", - сказал Джейкоб Кегеррайс, научный сотрудник Исследовательского центра НАСА имени Эймса в Силиконовой долине Калифорнии. "Поэтому очень интересно использовать такие большие симуляторы, чтобы детально изучить, как они могли развиваться".
Миссия НАСА "Кассини" помогла учёным понять, насколько молоды кольца Сатурна и, возможно, некоторые из его лун. И это знание открыло новые вопросы о том, как они образовались.
Для получения более подробной информации группа исследователей обратилась к суперкомпьютерному комплексу Distributed Research using Advanced Computing (DiRAC), расположенному в Даремском университете (Великобритания). Они смоделировали, как могли выглядеть различные столкновения между лунами-предшественницами. Моделирование проводилось с разрешением, более чем в 100 раз превышающим разрешение предыдущих подобных исследований, с использованием открытого кода моделирования SWIFT, и позволило учёным получить наиболее полное представление об истории системы Сатурна.
Сегодня кольца Сатурна находятся вблизи планеты, в рамках так называемого предела Роша - самой дальней орбиты, на которой гравитационная сила планеты достаточно сильна, чтобы разрушить более крупные тела из камня или льда, подошедшие ближе. Материал, вращающийся на более далёких орбитах, может слипаться и образовывать луны.
Смоделировав почти 200 различных вариантов столкновения, команда обнаружила, что при самых разных сценариях столкновения нужное количество льда может быть разбросано в пределах Роша Сатурна, где оно может осесть в кольца.
И хотя альтернативные объяснения не смогли показать, почему в кольцах Сатурна почти нет породы - они почти полностью состоят из кусков льда, - этот тип столкновения может это объяснить.
"Такой сценарий естественным образом приводит к образованию колец, богатых льдом", - говорит Винсент Эке, доцент кафедры физики/Института вычислительной космологии Даремского университета и один из соавторов статьи. "Когда ледяные луны-прародительницы сталкиваются друг с другом, камень в ядрах столкнувшихся тел рассеивается не так сильно, как покрывающий их лёд".
Ледяные и каменистые обломки должны были ударить и по другим лунам системы, что могло бы вызвать каскад столкновений. Такой цепной эффект мог привести к разрушению всех других лун-предшественниц за пределами колец, из которых могли бы сформироваться современные луны.
Но что могло стать началом этих событий? Две бывшие луны Сатурна могли столкнуться в результате обычно незначительных гравитационных воздействий Солнца, которые благодаря накопительному эффекту дестабилизировали их орбиты вокруг планеты. При подходящей конфигурации орбит дополнительное притяжение Солнца может вызвать эффект снежного кома - "резонанс", который удлиняет и наклоняет обычно круглые и плоские орбиты лун до пересечения их траекторий, что приводит к их столкновению на большой скорости.
Кадр из компьютерного моделирования столкновения двух ледяных лун на орбите вокруг Сатурна. В результате столкновения выбрасываются обломки, которые могут превратиться во всем известные кольца планеты. В моделировании использовалось более 30 млн частиц, окрашенных по цвету ледяного или каменного материала, которые запускались с использованием открытого кода моделирования SWIFT.
Сегодня луна Сатурна Рея вращается на орбите как раз неподалёку от того места, где спутник могли бы войти в этот резонанс. Как и земная Луна, спутники Сатурна со временем перемещаются всё дальше от планеты. Таким образом, если бы Рея была древней, то она должна была бы пересечь резонанс в недавнем прошлом. Однако орбита Реи очень круглая и плоская. Это позволяет предположить, что она не испытывала дестабилизирующего влияния резонанса, а сформировалась совсем недавно.
Новые исследования согласуются с данными о том, что кольца Сатурна сформировались недавно, однако остаются большие вопросы. Если по крайней мере некоторые из ледяных лун Сатурна также молоды, то что это может означать для возможности существования жизни в океанах под поверхностью таких миров, как Энцелад? Сможем ли мы разгадать всю историю планеты, начиная с её первоначальной системы, до столкновения и заканчивая сегодняшним днём? Будущие исследования, основанные на этой работе, помогут нам узнать больше об этой удивительной планете и ледяных мирах, вращающихся вокруг неё.
Больше информации в моей тг канале https://t.me/The_IT_sphere