Титан — дитя космической катастрофы: как гибель луны "Хризалис" создала кольца Сатурна

Крупнейший спутник Сатурна, окутанный смогом Титан, возможно, стал результатом драматического слияния двух других лун, которое запустило целый каскад событий — включая формирование великолепных колец Сатурна.

Когда миссия «Кассини-Гюйгенс» прибыла в систему Сатурна в 2004 году, её встретил целый зверинец загадочных лун с причудливыми свойствами. Титан, второй по величине спутник в Солнечной системе, — единственная луна в нашем космическом окружении, обладающая плотной атмосферой, богатой органическими молекулами. Есть и Гиперион — избитое и истерзанное тело, похожее на гигантский кусок пемзы, кувыркающееся вокруг Сатурна. А двойной мир Япета с его двухцветными полушариями, которые, как считается, образовались из-за прохождения через кольцо E Сатурна (созданное выбросами гейзеров Энцелада), имеет самую наклонную орбиту среди всех крупных спутников Сатурна — целых 15,5 градусов к экваториальной плоскости планеты.

И конечно, есть кольца Сатурна, не имеющие равных в Солнечной системе. Сейчас считается, что их возраст — «молодые» 100 миллионов лет, но их происхождение оставалось удручающе загадочным.

Разгадка во вращении Сатурна

Теперь астрономы под руководством Матии Цука из Института SETI подозревают, что создание Титана, каким мы его знаем сегодня, в результате столкновения и слияния двух лун могло запустить цепь событий, приведших ко всем остальным странностям Сатурна.

Ключом ко всему стали измерения «Кассини» момента инерции Сатурна, который зависит от распределения массы внутри самой планеты. Этот момент инерции определяет, насколько сильно ось вращения Сатурна колеблется, как волчок, — явление, известное как прецессия. Ранее считалось, что период прецессии Сатурна совпадает с периодом орбиты далекого Нептуна, создавая гравитационный резонанс, который начал наклонять Сатурн на угол в 26,7 градуса относительно плоскости его орбиты вокруг Солнца. Кстати, этот наклон позволяет нам с Земли так хорошо видеть кольца Сатурна.

Но измерения «Кассини» внутреннего распределения массы показали, что немного больше массы Сатурна сосредоточено в центре, чем предполагалось. Это меняет момент инерции Сатурна, выводя его из резонанса с орбитой Нептуна.

Похоже, что-то вывело Сатурн из синхронизации с Нептуном, что привело к перераспределению массы внутри планеты. Но что это могло быть?

Гипотеза о луне Хризалис

Несмотря на то, что луны Сатурна гораздо менее массивны, чем сама планета, они могут оказывать на неё удивительно большое влияние. Изначально, чтобы объяснить, что вывело Сатурн из резонанса с Нептуном, учёные выдвинули теорию, что когда-то у Сатурна была ещё одна ледяная луна, которую назвали Хризалис. Предполагалось, что её орбита могла быть нарушена тесным сближением с Титаном, и она подошла слишком близко к Сатурну, где гравитационные приливные силы разорвали её на части около 100 миллионов лет назад. Большая часть обломков упала на Сатурн, а некоторые остались на орбите, сформировав кольца. Взаимодействие с Хризалис, в свою очередь, должно было стать спусковым крючком для расширения орбиты Титана, который затем и вывел бы Сатурн из резонанса с Нептуном.

Это была красивая теория, но когда команда Цука проверила её на симуляциях, они обнаружили, что в подавляющем большинстве случаев Хризалис сталкивался с Титаном. Однако, вместо того чтобы стать концом гипотезы о Хризалис, симуляции открыли другую дверь, и ключом стал другой спутник Сатурна — Гиперион, который вращается как раз за Титаном.

Титан и Гиперион находятся в гравитационном резонансе. Их орбиты связаны: на каждые четыре оборота Титана вокруг Сатурна Гиперион делает ровно три, беспорядочно кувыркаясь.

Гиперион как улика

«Гиперион, самый маленький среди крупных спутников Сатурна, дал нам важнейшую подсказку об истории системы, — заявил Цук. — В симуляциях, где дополнительная луна становилась нестабильной, Гиперион часто терялся и выживал лишь в редких случаях. Мы поняли, что связка Титан–Гиперион относительно молода, ей всего несколько сотен миллионов лет. Это примерно совпадает по времени с исчезновением дополнительной луны. Возможно, Гиперион не пережил этот катаклизм, а стал его результатом. Если дополнительная луна слилась с Титаном, это должно было породить фрагменты вблизи орбиты Титана. Именно там и мог сформироваться Гиперион».

Цук предполагает, что Хризалис действительно существовала и столкнулась и слилась с прото-Титаном 100-200 миллионов лет назад, и именно это столкновение сформировало многое из того, что мы видим в системе Сатурна.

Например, до столкновения Титан мог быть похож на ледяной, безвоздушный спутник Юпитера Каллисто, с древней и изрытой поверхностью. Столкновение стерло бы всю поверхность Титана, что объясняет, почему под его плотной атмосферой так мало кратеров. А сама атмосфера высвободилась бы из недр Титана во время удара. Столкновение также изменило орбиту Титана, сделав её более широкой и вытянутой. И только сейчас она начинает постепенно снова становиться круговой.

Цепная реакция и рождение колец

Изменение орбиты Титана привело бы к тому, что его приливные силы вызвали бы хаос среди внутренних средних лун, заставив и их столкнуться, согласно дальнейшим симуляциям учёных из Эдинбургского университета и Исследовательского центра Эймса NASA. Хотя луны восстановились из большей части обломков, некоторые ледяные частицы осели бы вокруг Сатурна, сформировав его кольцевые системы.

Симуляции также показывают, что Хризалис могла возмутить орбиту Япета, приведя к её высокому наклону.

Это красивая, стройная гипотеза — но пока это всего лишь гипотеза. Хотя идея соответствует фактам, прямых доказательств пока нет. Миссия NASA Dragonfly к Титану, запуск которой запланирован на 2028 год, может стать первой, кто найдёт такие доказательства, выискивая дальнейшие признаки того, что поверхность Титана молода, что указывает на катаклизм, последовавший за столкновением с Хризалис более 100 миллионов лет назад.

Результаты команды Цука приняты к публикации в Planetary Science Journal, а препринт доступен в репозитории arXiv. Если гипотеза подтвердится, она не только объяснит происхождение колец Сатурна и странности его лун, но и покажет, насколько динамичной и жестокой может быть эволюция планетных систем. Луны сталкиваются, сливаются, рождаются заново из обломков, и даже гиганты вроде Сатурна чувствуют эти удары, меняя свой величавый ход сквозь тысячелетия. Возможно, мы только начинаем понимать, что скрывается за ледяной красотой окольцованного властелина.