Auch wenn die Gasriesen unseres Sonnensystems in Größe und Masse sehr unterschiedlich sind, haben sie doch etwas gemeinsam. Jeder Planet ist ungefähr 10.000 Mal massereicher als die Gesamtmasse aller seiner Monde. Während der Planetenentstehung wuchsen felsige Monde aus dem festen Material, das jeden Planeten umgab. Als diese Monde größer wurden, verlangsamte sie Restgas, und sie fielen in den Planeten, um verzehrt zu werden. Die Monde, die wir heute sehen, waren die letzten, die sich um ihre Mutterplaneten bildeten, nachdem sich das Gas aufgelöst hatte.
Jeder der äußeren Gasplaneten unseres Sonnensystems beherbergt ein System aus mehreren Satelliten, und zu diesen Objekten gehören Jupiters vulkanisches Io und Europa mit seinem vermutlich unterirdischen Ozean sowie Titan mit seiner dichten und organischen Atmosphäre bei Saturn. Während die Eigenschaften der einzelnen Satelliten variieren, haben alle Systeme eine auffallende Ähnlichkeit: Die Gesamtmasse jedes Satellitensystems im Vergleich zur Masse seines Wirtsplaneten ist nahezu konstant, etwa 1:10.000.
Untersuchungen von Wissenschaftlern des Southwest Research Institute, die in der Nature-Ausgabe vom 15. Juni veröffentlicht wurden, liefern eine Erklärung dafür, warum die Gasplaneten diese Konsistenz aufweisen und warum die Satelliten von Gasplaneten im Vergleich zu ihrem Planeten so viel kleiner sind als die Hauptsatelliten von feste Planeten.
Die vier Galileischen Satelliten des Jupiter sind jeweils ungefähr gleich groß, während Saturn einen großen Satelliten zusammen mit zahlreichen viel kleineren Satelliten hat. Trotzdem beträgt die Gesamtmasse in beiden Satellitensystemen etwa ein Hundertstel Prozent (0,0001) der Masse des jeweiligen Planeten. Die Struktur des Uran-Satellitensystems ähnelt der des Jupiter und weist auch das gleiche Massenverhältnis auf. Im Gegensatz dazu enthalten die großen Satelliten fester Planeten viel größere Bruchteile der Masse ihres Planeten, wobei der Mond 1 Prozent (0,01) der Erdmasse enthält und Plutos Satellit Charon mehr als 10 Prozent (0,1) seiner Masse enthält.
Warum haben die Gasplaneten, jeder mit seiner eigenen einzigartigen Entstehungsgeschichte, Satellitensysteme, die einen konstanten Bruchteil der Masse jedes Planeten enthalten, und warum ist dieser Bruchteil im Vergleich zu Festplaneten-Satelliten so klein? Dr. Robin Canup und Dr. William Ward vom SwRI Space Studies Department schlagen vor, dass es die Anwesenheit von Gas, hauptsächlich Wasserstoff, während der Bildung dieser Satelliten war, die ihr Wachstum begrenzte und für einen gemeinsamen Massenanteil des Satellitensystems selektierte.
Als sich die Gasplaneten bildeten, sammelten sie Wasserstoffgas und Feststoffe wie Gestein und Eis an. Es wird angenommen, dass das letzte Stadium der Bildung eines Gasplaneten einen Einstrom von Gas und Feststoffen aus der Sonnenumlaufbahn in die Planetenumlaufbahn beinhaltet, wodurch eine Scheibe aus Gas und Feststoffen entsteht, die den Planeten in seiner Äquatorebene umkreist. Es wird angenommen, dass sich die Satelliten innerhalb dieser Scheibe gebildet haben.
Canup und Ward stellten fest, dass die Schwerkraft eines wachsenden Satelliten Spiralwellen in einer umgebenden Gasscheibe induziert und dass Gravitationswechselwirkungen zwischen diesen Wellen und dem Satelliten dazu führen, dass sich die Umlaufbahn des Satelliten zusammenzieht. Dieser Effekt wird stärker, wenn ein Satellit wächst. Je größer ein Satellit wird, desto schneller dreht sich seine Umlaufbahn nach innen zum Planeten. Das Team schlägt vor, dass das Gleichgewicht zweier Prozesse – der anhaltende Materialzufluss zu den Satelliten während ihres Wachstums und der Verlust von Satelliten durch Kollisionen mit dem Planeten – eine maximale Größe für einen Gasplanetensatelliten im Einklang mit den Beobachtungen impliziert.
Unter Verwendung sowohl numerischer Simulationen als auch analytischer Schätzungen des Wachstums und des Verlustes von Satelliten zeigt das Team, dass mehrere Generationen von Satelliten wahrscheinlich sind, wobei die heutigen Satelliten die letzte überlebende Generation sind, die sich bildete, als das Wachstum des Planeten aufhörte und die Gasscheibe sich auflöste. Canup und Ward zeigen, dass während mehrerer Zyklen von Satellitenwachstum und -verlust der Anteil der Masse des Planeten, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in seinen Satelliten enthalten ist, einen Wert beibehält, der sich über eine breite Palette von Modellparametern hinweg nicht sehr von 0,0001 unterscheidet.
Die direkten Simulationen des Teams sind auch die ersten, die Satellitensysteme erzeugen, die denen von Jupiter, Saturn und Uranus in Bezug auf die Anzahl der Satelliten, ihre größten Massen und die Abstände der großen Satellitenumlaufbahnen ähnlich sind.
„Wir glauben, dass unsere Ergebnisse ein starkes Argument dafür darstellen, dass sich die Satellitensysteme von Jupiter und Saturn innerhalb von Scheiben gebildet haben, die produziert wurden, als sich der Planet selbst in seinen letzten Wachstumsstadien befand“, sagt Canup. „Der Ursprung des Uran-Satellitensystems bleibt jedoch ungewisser, und die Wahrscheinlichkeit, dass unsere Ergebnisse auf diesen Planeten anwendbar sind, hängt davon ab, wie Uranus seine axiale Neigung von fast 98 Grad erreicht hat, was ein Thema aktiver Studien ist.“
Für extrasolare Systeme legt diese Forschung nahe, dass die größten Satelliten eines Planeten mit Jupitermasse die Größe von Mond zu Mars haben würden, so dass nicht zu erwarten wäre, dass Exoplaneten von der Größe des Jupiters so große Satelliten wie die Erde beherbergen. Dies ist relevant für die potenzielle Bewohnbarkeit von Satelliten in extrasolaren Systemen.
Die NASA-Programme Planetary Geology and Geophysics und Outer Planets Research finanzierten diese Forschung. Der Artikel „A common mass scaling for satellite systems of gas planets“ von Canup und Ward erscheint in der Nature-Ausgabe vom 15. Juni.
Originalquelle: Pressemitteilung des SwRI
