Владислава Ананьева

Спутниковые системы планет-гигантов Солнечной системы устроены похожим образом. Ближе всего к планете расположены т.н. внутренние спутники. Как правило, их размеры малы (десятки километров), орбиты очень близки к круговым и лежат почти точно в экваториальной плоскости планеты. Дальше располагается несколько крупных регулярных спутников, чья масса достаточно велика, чтобы придать им сферическую форму. Наконец, еще дальше располагаются многочисленные захваченные астероиды: их размеры, как правило, невелики, форма неправильная, а орбиты отличаются значительным эксцентриситетом и наклонением к экватору планеты.

Уран обладает самой компактной и плотно упакованной системой внутренних спутников среди всех планет Солнечной системы. На расстоянии 2.3-3.8 радиусов планеты (59 166 – 97 736 км) расположено целых 13 спутников с радиусами от 20 до 80 км – это Корделия, Офелия, Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Купидон, Белинда, Пердита, Пак и Маб. 

Первые же исследования динамической устойчивости этой системы показали, что система внутренних спутников Урана динамически неустойчива и на временах порядка 1 млн. лет должна существенно измениться. Численное интегрирование движения внутренних спутников показало, что на временах 10⁵-10⁶ лет орбиты некоторых спутников должны пересечься, а сами спутники – столкнуться друг с другом. При этом, поскольку средняя плотность спутников и их масса до сих пор не известны, интегрирование проводилось для разных вариантов средней плотности (от 0.1 до 30 г/куб.см). В любом случае рано или поздно (для более массивных спутников – раньше, для менее массивных – позже) орбиты пересекались, а спутники сталкивались.

В 2012 году в журнале Icarus была опубликована статья Роберта Френча (Robert S. French) и Марка Шовалтера (Mark R. Showalter), посвященная всестороннему изучению динамической устойчивости внутренних спутников Урана. Авторы использовали самые свежие данные о гравитационном потенциале Урана, кроме того, они учли влияние регулярных спутников от Миранды до Оберона. Исследователи варьировали массы внутренних спутников и незначительно меняли начальные условия интегрирования (что отражает погрешности в определении современного положения спутников на орбитах).

Что же оказалось?

Первоначальный вывод о динамической неустойчивости системы полностью подтвердился. И с учетом влияния регулярных спутников, и без учета их влияния первыми должны столкнуться Купидон и Белинда, причем характерное время до столкновения в различных вариантах моделирования составляло всего 1 300 – 1 500 000 лет (как правило, 13-500 тысяч лет). На временах порядка 1-10 млн. лет должны столкнуться Крессида и Дездемона. На временах порядка 1 млрд. лет Пердита должна столкнуться с объединенным спутником Купидон+Белинда (авторы исследования считали столкновения спутников неупругими, а столкнувшиеся спутники – слипнувшимися вместе), а Джульетта – с объединенным спутником Крессида+Дездемона. Получившаяся в результате всех этих столкновений и слипаний спутниковая система оказывается гораздо более устойчивой.

Как интерпретировать этот результат? Неужели нам посчастливилось застать систему Урана в момент быстрой динамической эволюции? Или мы не учитываем какие-то тонкие эффекты (например, не учтенные резонансы высокого порядка), которые могли бы стабилизировать систему?

Авторы исследования приходят к несколько парадоксальному выводу, что, возможно, система внутренних спутников Урана пребывает в устойчивом состоянии, в котором новые спутники появляются примерно с той же скоростью, с которой разрушаются старые. Существование обломочного кольца между орбитами Порции и Розалинды (т.е. за пределами зоны Роша Урана) также свидетельствует в пользу этой гипотезы, хотя тут еще много неясного. Возможно, при столкновении двух спутников примерно равного размера слипается вместе только часть их массы, а остальная часть обломками разлетается по окрестностям, формируя осколочные кольца, из которых за несколько миллионов лет собираются новые спутники. Насколько эта гипотеза близка к истине, покажут дальнейшие наблюдения и расчеты.

Источники: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1408/1408.2543.pdf
http://lnfm1.sai.msu.ru/neb/rw/natsat/uraorbw.htm