Нові симуляції проливають світло на походження кілець та крижаних місяців Сатурна
У ясну ніч в аматорський телескоп із поверхні Землі можна побачити Сатурн та ряд його чудових кілець. Але як з'явилися ці обручки? І що вони можуть розповісти нам про Сатурна та його місяці - одне з потенційних місць, де НАСА сподівається шукати життя? Нова серія суперкомп'ютерних симуляцій запропонувала відповідь на загадку походження кілець, яка пов'язана з потужним зіткненням, яке сталося в ті часи, коли на Землі ще ходили динозаври.
Згідно з новими дослідженнями НАСА та його партнерів, кільця Сатурна могли утворитися з уламків двох крижаних місяців, які зіткнулися та зруйнувалися кілька сотень мільйонів років тому. Уламки, які не потрапили в кільця, могли також сприяти формуванню деяких сучасних місяців Сатурна.
"Ми ще багато чого не знаємо про систему Сатурна, в тому числі про його місяці, на яких існує середовище, придатне для життя", - сказав Джейкоб Кегеррайс, науковий співробітник Дослідницького центру НАСА імені Еймса в Силіконовій долині Каліфорнії. Тому дуже цікаво використовувати такі великі симулятори, щоб детально вивчити, як вони могли розвиватися.
Місія НАСА "Кассіні" допомогла вченим зрозуміти, наскільки молоді кільця Сатурна і, можливо, деякі з його місяців. І це знання відкрило нові питання, як вони утворилися.
Для більш детальної інформації група дослідників звернулася до суперкомп'ютерного комплексу Distributed Research using Advanced Computing (DiRAC), розташованого в Даремському університеті (Великобританія). Вони змоделювали, як могли виглядати різні зіткнення між місяцями-попередницями. Моделювання проводилося з роздільною здатністю, що більш ніж у 100 разів перевищує дозвіл попередніх подібних досліджень, з використанням відкритого коду моделювання SWIFT, і дозволило вченим отримати найбільш повне уявлення про історію системи Сатурна.
Сьогодні кільця Сатурна знаходяться поблизу планети, в рамках так званої межі Роша - найдальшої орбіти, на якій гравітаційна сила планети досить сильна, щоб зруйнувати більші тіла з каменю або льоду, що підійшли ближче. Матеріал, що обертається на більш далеких орбітах, може злипатися та утворювати місяці.
Змоделювавши майже 200 різних варіантів зіткнення, команда виявила, що при різних сценаріях зіткнення потрібна кількість льоду може бути розкидана в межах Роша Сатурна, де вона може осісти в кільця.
І хоча альтернативні пояснення не змогли показати, чому в кільцях Сатурна майже немає породи – вони майже повністю складаються із шматків льоду, – цей тип зіткнення може це пояснити.
"Такий сценарій природно призводить до утворення кілець, багатих льодом", - говорить Вінсент Еке, доцент кафедри фізики/Інституту обчислювальної космології Даремського університету та один із співавторів статті. "Коли крижані місяця-прародительки зіштовхуються один з одним, камінь в ядрах тіл, що зіткнулися, розсіюється не так сильно, як лід, що їх покриває".
Крижані та кам'янисті уламки повинні були вдарити і по інших місяцях системи, що могло б спричинити каскад зіткнень. Такий ланцюговий ефект міг призвести до руйнування всіх інших місячних попередниць за межами кілець, з яких могли б сформуватися сучасні місяці.
Але що могло стати початком цих подій? Два колишні місяці Сатурна могли зіткнутися внаслідок звичайно незначних гравітаційних впливів Сонця, які завдяки накопичувальному ефекту дестабілізували їх орбіти навколо планети. При відповідній конфігурації орбіт додаткове тяжіння Сонця може викликати ефект снігового кома - "резонанс", який подовжує і нахиляє зазвичай круглі та плоскі орбіти місяців до перетину їх траєкторій, що призводить до зіткнення на великій швидкості.
Кадр з комп'ютерного моделювання зіткнення двох крижаних місяців на орбіті навколо Сатурна. В результаті зіткнення викидаються уламки, які можуть перетворитися на все відомі кільця планети. У моделюванні використовувалося понад 30 млн. частинок, пофарбованих за кольором крижаного або кам'яного матеріалу, які запускалися з використанням відкритого коду моделювання SWIFT.
Сьогодні місяць Сатурна Рея обертається на орбіті якраз неподалік того місця, де супутник могли б увійти в цей резонанс. Як і земний Місяць, супутники Сатурна з часом переміщаються все далі від планети. Таким чином, якби Рея була стародавньою, то вона мала б перетнути резонанс у недавньому минулому. Однак орбіта Реї дуже кругла та плоска. Це дозволяє припустити, що вона не зазнавала дестабілізуючого впливу резонансу, а сформувалася зовсім недавно.
Нові дослідження узгоджуються з даними, що кільця Сатурна сформувалися нещодавно, проте залишаються великі питання. Якщо принаймні деякі з крижаних місяців Сатурна також молоді, то що це може означати для існування життя в океанах під поверхнею таких світів, як Енцелад? Чи зможемо ми розгадати всю історію планети, починаючи з її початкової системи, до зіткнення і до сьогоднішнього дня? Майбутні дослідження, засновані на цій роботі, допоможуть нам дізнатися більше про цю дивовижну планету і крижані світи, що обертаються навколо неї.