Kje je nastala Saturnova bizarna luna Titan? Ali je nastala tam, kjer je zdaj, ali se je preselila? Imamo desetletja podatkov, na katere se lahko ozremo nazaj, zato bi morali znanstveniki imeti nekaj idej.
Nova študija, ki temelji na vseh teh podatkih, pravi, da se Titan od Saturna oddaljuje hitreje, kot se je mislilo, in to vpliva na to, kje je Luna prvotno nastala.
Titan je edinstvena - in bizarna - luna v našem Osončju. To je edina luna z gosto atmosfero in s tekočino, ki teče po površini. Je tudi največja Saturnova luna in je dejansko večja od planeta Merkur.
Vesoljsko plovilo Voyager nam je dalo prvi dober pogled na Titan, vendar ni moglo videti skozi gosto, z dušikom bogato atmosfero. Nato je leta 2004 misija Cassini-Huygens lahko pogledala površje s svojimi naprednejšimi instrumenti. Majhna pristajalna naprava Huygens nam je dala prve slike s površine izjemne lune. Več misij je v idejni fazi, ena pa je načrtovana: NASA-ina misija Dragonfly bo lansiran leta 2026 in raziskal površje.
Voyager 2 je to sliko Titana ujel leta 1981 z razdalje 2,3 milijona km (1,4 milijona milj). V oblakih je prikazano nekaj podrobnosti, vendar ne veliko. Zasluge slike: NASA/JPL
Toda ta nova študija ne potrebuje novih misij ali naprednih instrumentov. Zanaša se na desetletja podatkov, ki jih že imamo, da preučimo vprašanje Titana in njegove migracije.
Študija nosi naslov » Resonančno zaklepanje na velikanskih planetih nakazuje hitra orbitalna ekspanzija Titana .” Glavni avtor je Valéry Lainey, nekdanji JPL, zdaj pa Pariški observatorij. Študija je objavljena v reviji Nature.
Pogled na Titan s padajočega vesoljskega plovila Huygens 14. januarja 2005. Zasluge: ESA/NASA/JPL/Univerza v Arizoni.
Ta nova študija odstopa od prejšnjih študij, ki so pokazale, da se je Titan oblikoval približno tam, kjer je zdaj. Namesto tega kaže, da se Titan vse dlje odmika od Saturna. In hitrost, s katero se premika, je 100-krat hitrejša od pričakovane. Ta rezultat kaže, da se Titan seli na svojo trenutno orbitalno razdaljo že 4,5 milijarde let.
Rezultati imajo tudi posledice za naše razumevanje Saturnovih prstanov, zlasti starosti teh prstanov, ki so bili predmet številnih znanstvena razprava v zadnjem času .
'Večina predhodnih del je predvidevala, da so bile lune, kot sta Titan ali Jupitrova luna Callisto, nastale na orbitalni razdalji, podobni tisti, kjer jih vidimo zdaj,' pravi Caltech's. Jim Fuller , docentka za teoretično astrofiziko in soavtorica novega prispevka. 'To pomeni, da so se Saturnov sistem lune in potencialno njegovi obroči oblikovali in razvijali bolj dinamično, kot se je prej verjelo.'
Saturnovi prstani in lune so bili predmet znanstvene razprave. A študija 2019 pokazala, da je selitev Saturnovih lun razširila Cassinijev oddelek v Saturnovih obročih. Zasluge slike: Cassini, Dante, Baillié in Noyelles
Planeti in lune imajo lahko precej zapletene odnose. Seveda veliko večji planet izvaja veliko večjo gravitacijsko silo na manjšo luno. Toda lune, kot sta Titan - in Zemljina Luna - imajo tudi znatno maso. Na svoje planete izvajajo lastno gravitacijo. Samo poglejte zemeljske plimovanja, ki jih v veliki meri poganja Luna.
Na Zemlji to potiskanje in vlečenje z Luno ustvarja tudi torni stres znotraj Zemlje. To nato potegne Luno naprej po svoji orbiti, končni rezultat pa je, da se Luna postopoma odmika od Zemlje. Je veliko dlje kot je bila v preteklosti, na primer v dobi dinozavrov. Imenuje se potiskanje in vlečenje med planetom in njegovo luno učinki plimovanja .
Pred 3,9 milijardami let je bila Luna veliko bližje Zemlji. Bila je oddaljena približno 21 zemeljskih polmerov, medtem ko je danes oddaljena približno 60 zemeljskih polmerov. Zasluge slike: Lunar Planetary Institute/David Kring
Hitrost tega procesa pa je pozitivno ledeniška. Luna se od Zemlje oddalji za približno 3,8 cm na leto. Ne veliko. S to hitrostjo bo Luna z Zemljo, dokler ju ne zaužije Sonce, ko bo v približno 5 ali 6 milijardah let prešla v fazo rdeče velikanke.
Razmerje med Saturnom in Titanom je podobno.
Ker pa je Saturn plinski velikan, medtem ko je Zemlja kamnita, ni povsem enako. Trenje v Saturnu bi moralo biti zaradi vsega tega plina šibkejše. Standardne teorije napovedujejo, da bi morala biti stopnja selitve Titana stran od Saturna le 0,1 cm na leto, kar je veliko manj kot pri Zemljini Luni.
Slika od zgoraj navzdol orbit nekaterih večjih Saturnovih lun, s Titanom v rdeči barvi. Luni zunaj njegove orbite sta (od zunaj navznoter) Japet in Hiperion; tisti znotraj so Rhea, Diona, Tethys, Enceladus in Mimas. Zasluge slike: avtor !Izvirnik: Rubble pileVector: Mysid. – Lastno delo na podlagi: Titan's orbit.jpg., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4819125
Tu pridemo do bistva te nove študije.
Ta študija vsebuje dve ločeni metodi merjenja Titanove stopnje širjenja orbite: astrometrija in radiometrija . Obe metodi sta uporabljali podatke Cassinija. K študiji sta prispevali dve ekipi; eden je uporabljal astrometrijo, drugi pa radiometrijo. Astrometrijska skupina je uporabila več kot 100 let opazovalnih podatkov, ki segajo v leto 1886 in se nadaljujejo do konca misije Cassini. Radiometrična ekipa je uporabila model, ki je med drugim upošteval 'vse pomembne pospeške, ki so vplivali na orbito Titana in trajektorijo vesoljskega plovila Cassini'.
»Z uporabo dveh popolnoma neodvisnih podatkovnih nizov – astrometričnega in radiometričnega – ter dveh različnih analiznih metod smo dobili rezultate, ki se popolnoma ujemajo,« pravi prvi avtor študije, Valéry Lainey, nekdanji JPL (ki ga Caltech upravlja za NASA), zdaj Pariškega observatorija, univerze PSL. Lainey je delal z ekipo za astrometrijo.
Rezultati te študije potrjujejo rezultate študije iz leta 2016 soavtorja Jima Fullerja. Ta študija je tudi pokazala, da je stopnja migracije Titana veliko hitrejša, kot se je prej mislilo.
Ta slika iz študije prikazuje možno evolucijsko zgodovino orbitalne razdalje šestih Saturnovih lun kot funkcijo časa, tako za model zaklepanja resonance (polne barvne črte) kot za konstantnoQmodel (črne črtkane črte). Modele z resonančnim zaklepanjem zasenči učinkovit faktor kakovosti plimovanja,Qef, v določenem trenutku. Za globljo razlago si oglejte študijo. Zasluge za sliko: Lainey et al, 2020.
Fullerjeva teorija pravi, da Titan stisne Saturn na določeni frekvenci. Zaradi tega Saturn močno niha. Pomislite na gugalnico za otroško igrišče. Če zamahnete z nogami ob pravem času – ali pogosto –, se potisnete višje. To se imenuje resonančno zaklepanje .
Fuller je dejal, da bi visoka amplituda Saturnovega nihanja dejansko razpršila veliko te energije. Po drugi strani bi to pognalo Titan navzven z veliko večjo hitrostjo, kot se je mislilo.
Resonančno zaklepanje ni bilo edini mehanizem disipacije plimovanja, na katerega je ta raziskava gledala, vendar je bila na vrhu. 'Hitra migracija Titana je nepričakovana za vse mehanizme disipacije plimovanja,' so zapisali avtorji, 'razen za resonančno zaklepanje, ki je napovedala opaženo migracijo.'
Ta nova študija je pokazala, da je stopnja selitve Titana stran od Saturna 11 cm (4,3 in) na leto, 100-krat hitrejša od prejšnjih teorij.
Saturnova luna Tetis s svojo ostro belo ledeno površino pokuka izza večjega, meglenega, barvitega Titana v tem pogledu na dve luni, ki jih je pridobilo NASA-ino vesoljsko plovilo Cassini. Saturnovi prstani ležijo med obema. Zasluge: NASA/JPL-Caltech/Inštitut za vesoljske znanosti
Ta model resonančnega zaklepanja bi lahko veljal tudi za druge sisteme planetov in lun. Avtorji pišejo: 'Resonančno zaklepanje bi lahko delovalo v drugih luninih sistemih, kot je sistem Jovian, kjer bi lahko spodbudilo selitev Io/Europa/Ganymede navzven ...'
Pravzaprav bi lahko veljalo za druge sončne sisteme in eksoplanete. 'Resonančno zaklepanje lahko deluje tudi v zvezdnih binarnih in eksoplanetarnih sistemih,' pišejo avtorji, čeprav bo potrebno več dela, da bomo videli, kako natančno je lahko.
'Teorija resonančnega zaklepanja se lahko uporablja za številne astrofizične sisteme. Zdaj opravljam nekaj teoretičnega dela, da vidim, ali se lahko ista fizika zgodi v binarnih zvezdnih sistemih ali eksoplanetnih sistemih,« pravi Fuller.
Več:
- Izjava za javnost: Titan se od Saturna seli 100-krat hitreje, kot je bilo predvideno
- Raziskovalna naloga: Resonančno zaklepanje na velikanskih planetih nakazuje hitra orbitalna ekspanzija Titana
- Vesolje danes: Znanstveniki zgradijo globalni zemljevid Titanove geologije