Никто и представить себе не мог, что число небесных тел в Солнечной системе так велико. За последние пять лет было открыто 86 «нерегулярных» спутника, чьи обратные орбиты сильно вытянуты и наклонены к экватору планеты. В основном они движутся вокруг своей планеты в направлении, обратном ее вращению. Регулярные спутники (такие как спутник Земли или галилеевы спутники Юпитера), обращающиеся в прямом направлении, имеют меньшие и более округлые орбиты, лежащие почти в плоскости экватора.

    Например, Луна перемещается против часовой стрелки (если смотреть со стороны Северного полюса Земли), так же, как и Земля – вокруг своей оси и вокруг Солнца. Другие планеты тоже движутся против часовой стрелки, что вероятно, обусловлено направлением вращения газопылевого диска, из которого они образовались 4,5 млрд. лет назад. Прямое движение регулярных спутников астрономы объясняют их формированием в дисках вокруг своих планет. Противоположное же перемещение нерегулярных спутников не укладывается в стандартные модели. Похоже, что они возникли в давние времена, когда гравитационное влияние новорожденных планет срывало малые тела с исходных орбит. Изучение таких объектов позволит яснее представить ранние стадии формирования Солнечной системы. Несмотря на то, что нерегулярный спутник (Тритон) был открыт в 1846 г., большинство из них было трудно обнаружить из-за небольших размеров и значительно более слабого блеска, чем у их регулярных собратьев. К тому же, они рассеяны по большому пространству. Так, самый дальний регулярный спутник Юпитера обращается на расстоянии 1,9 млн. км от планеты, а известные нерегулярные движутся на расстоянии до 31 млн. км.

Спутники Сатурна делятся на два типа: регулярные (синие), такие как Титан и Япет, имеют компактные, лежащие в одной плоскости орбиты; нерегулярные спутники, такие как Феба, имеют широкие, хаотически ориентированные орбиты. Одни из них обращаются в том же направлении, что и Сатурн (красные); другие - в противоположном (зеленые). Похожие системы спутников окружают и другие планеты-гиганты.

Два типа спутников Сатурна и других планет-гигантов: регулярные и нерегулярные спутники

    Это сравнимо с размером зоны гравитационного влияния Юпитера, с так называемой сферой Хилла, за пределами которой Солнце способно «оторвать» спутник планеты. Если бы можно было увидеть сферу Хилла вокруг Юпитера, то ее поперечник был бы около 10°, что в 20 раз больше видимого углового диаметра полной Луны и значительно превышает возможности любого телескопа. Для просмотра таких обширных областей неба используются самые мощные цифровые приемники света, позволяющие анализировать до 100 гигабайт данных за ночь. Программа ученых сначала была направлена на поиск спутников Юпитера. Группа астрономов под руководством Бретта Глэдмана из Университета Британской Колумбии, включавшая также Мэттью Холмана из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра и Дж. Кавеларса из Национального исследовательского совета канадского Института астрофизики им. Герцберга провела аналогичные исследования в окрестностях Сатурна, Урана и Нептуна.
    Оказалось, что все четыре планеты, независимо от массы, имеют схожие системы нерегулярных спутников различных размеров. Экстраполируя, ученые подсчитали, что у каждой из планет должно быть около 100 нерегулярных спутников диаметром более 1 км. В системе Юпитера их размеры колеблются в пределах от 180 км у Гималии до 1-2 км у самых малых объектов. Спутники движутся по петлеобразным орбитам, одним из самых сложных в Солнечной системе. Поскольку спутник значительно удален от своей планеты, на него почти в равной мере влияет притяжение как планет, так и Солнца, отчего происходит быстрая прецессия орбиты, т.е. поворачивается большая ось ее эллипса.
    Космические ритмы: когда на спутники одновременно оказывают влияние несколько сил, ситуация становится не предсказуемой. Например, если частота прецессии соответствует частоте обращения планеты вокруг Солнца, то спутник попадает в резонанс, называемый эвекцией. В этом случае последствия слабого влияния солнечной гравитации постепенно накапливаются и дестабилизируют орбиту: ее эллипс так вытягивается, что спутник либо сталкивается с планетой (или с одним из ее крупных спутников), либо вырывается из сферы Хилла в гравитационные объятия Солнца. При этом прямые орбиты более уязвимы, чем обратные. Если нерегулярные спутники изначально были как на прямых, так и на обратных орбитах, то резонанс приводит к тому, что в основном они сохраняются на обратных орбитах.
    Другой эффект, известный как резонанс Козаи, связывает наклон и форму орбиты. Спутники, захваченные на наклонные орбиты, движутся по все более вытянутым траекториям, что тоже может привести к их выбросу с орбиты или разрушению. Возможно, поэтому наблюдатели не могут найти спутники с наклоном от 50° до 130°. На орбитальное движение оказывает влияние не только гравитация, но и другие факторы. Например, в группах спутников Юпитера содержится до 17 осколков разбившегося при столкновении более крупного спутника, которые продолжают двигаться по сходной орбите. Если это так, то большинство нынешних нерегулярных спутников принадлежат ко второму поколению, а не к исходному. Кроме изучения орбит нерегулярных спутников астрономы исследуют и другие их характеристики. Яркость большинства из них так мала, что трудно узнать что-либо об их химическом составе. Но Томми Грэв из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра и Терри Реттинг из Университета Нотр-Дам обнаружили, что спутники, входящие в одну группу, имеют схожий цвет, зависящий от их химического состава. Это подтверждает предположение, согласно которому члены одной группы – обломки более крупного разрушенного тела.
    Один из немногих хорошо изученных нерегулярных спутников – Феба, спутник Сатурна, исследованный зондом «Кассини» в июне 2004 г. Тогда были получены четкие изображения многочисленных кратеров на поверхности Фебы, а также спектры отраженного солнечного света, показавшие наличие льдов из воды и двуокиси углерода. Два нерегулярных спутника Нептуна, Тритон и Нереида, исследованные зондом «Вояджер-2», также оказались покрыты льдами. Следовательно, все они, как и ядра комет, сформировались вдали от Солнца. В отличие от этих объектов, нерегулярные спутники Юпитера, по-видимому, лишены льда, поскольку находятся вблизи Солнца, где температура слишком высока. Поэтому нерегулярные спутники Юпитера похожи на ядра комет, потерявшие свои летучие вещества.
    Свойства нерегулярных спутников, особенно их обратные орбиты, говорят о том, что они, являются остатками «строительного материала» формировавшихся планет. Как астероиды и ядра комет, они сначала обращались вокруг Солнца, а затем были захвачены планетами. В сложном взаимодействии гравитации планет и Солнца астероиды и кометы временно захватываются на орбиты вокруг планет-гигантов. Например, знаменитая комета D/Шумейкера-Леви 9 была захвачена на временную орбиту вокруг Юпитера и в 1994 г. упала на планету. Если бы этого не случилось, то она была бы через сотни лет выброшена на гелиоцентрическую орбиту. Нечто подобное мы наблюдаем на Земле, когда сухие листья подхваченные вихрем, некоторое время кружатся, а затем вырываются из его объятий и разлетаются в разные стороны. Астрономам известно о нескольких объектах, вернувшихся в околосолнечное пространство после временного захвата Юпитером.

Торможение в газе: формирующаяся планета притягивает к себе газ, окружая себя обширной атмосферой, планетезимали, проходя сквозь нее, вследствии трения тормозятся и могут быть захвачены.

Сдергивание: формирующаяся планета стягивает к себе газ и быстро растет в массе. Ее притяжение возрастает, и она захватывает ближайшие планетезимали, попавшие в сферу Хилла.

Тройной захват: процесс после того, как планета окончательно набирает свою массу. Две планетезимали, пролетающие в близи планеты, почти сталкиваются. Одна теряет энергию и попадает на орбиту планеты.

Как планеты - гиганты захватывали свои нерегулярные спутники на орбиту: три теории XX-XXI вв

    Но чтобы тело было навсегда захвачено с гелиоцентрической на стационарную орбиту вокруг планеты, оно должно потерять некоторую часть своей исходной энергии, иными словами затормозиться. Сейчас в Солнечной системе нет эффективных механизмов диссипации энергии, поэтому эти события должны были произойти очень давно, когда Солнечная система обладала иными свойствами. В 1970-х гг. теоретики предложили 3 сценария захвата спутников, которые могли действовать во время или сразу после формирования планет.
    Джеймс Поллак и Джозеф Барис из Эймсовского исследовательского центра NASA и Майкл Таубер из Корнельского университета предположили, что спутники могут терять энергию из-за трения при пролете сквозь протяженные атмосферы зародышей газовых планет-гигантов. Юпитер и Сатурн, в отличие от Земли и других планет земной группы, в основном состоят из водорода и гелия. Скорее всего, они образовались, когда ядро из камня и льда массой около 10 земных масс притянуло к себе огромное количество газа из протопланетного диска, окружавшее молодое Солнце. Прежде чем принять свой современный довольно компактный размер, эти планеты должны были пройти через промежуточную «раздутую» фазу, когда их атмосферы были в сотни раз протяженнее, чем сейчас. Пролетающий мимо астероид или ядро кометы, в зависимости от размера, ожидали три варианта возможного развития событий. Если тело мало, то оно сгорит в протяженной атмосфере как метеор. Слишком большое - беспрепятственно пройдет сквозь нее и продолжит свой путь по орбите вокруг Солнца.
    Но если оно окажется соответствующего размера, то будет захвачено. Это природный аналог аэроторможения, которое сейчас используется для выведения межпланетных зондов на орбиту. Но такая модель не объясняет присутствие нерегулярных спутников у ледяных гигантов Нептуна и Урана, состоящих в основном из камня и льда, и содержащих умеренное количество водорода и гелия. Из-за удаленности от Солнца и малой плотности вещества во внешних областях околосолнечного диска их ядрам потребовалось много времени, чтобы достичь критической массы, необходимой для захвата газа. Прежде чем это случилось, околосолнечная туманность сильно поредела, и Уран с Нептуном не успели получить протяженные атмосферы, такие как у Юпитера и Сатурна. Как же действовало газовое торможение, если газа было немного?
    Третий – лишний: Второй механизм захвата спутников также предполагает активность на стадии роста планеты. Аккрекция газа на ядро будущего гиганта должна было приводить к ускоряющемуся росту его массы, что вызывало расширение сферы Хилла вокруг планеты. Астероиды и другие объекты, которым довелось оказаться в это время поблизости, попали в ловушку внезапно возросшей гравитации планеты. Такой механизм захвата был впервые описан Томасом Хеппенхаймером и Кэролин Порко из Калифорнийского технологического института, и назван захват «сдергиванием». Как и в случае с газовым торможением, такой сценарий не объясняет присутствия спутников у Нептуна и Урана, ни один из которых не испытал резкого увеличения массы. Большинство моделей указывает, что данные планеты росли медленно, аккумулируя тела размером с астероиды и ядра комет; а для достижения нынешней массы им понадобились десятки или сотни миллионов лет. Даже Юпитер и Сатурн должны были расти в течении тысячелетий, чтобы быть способными захватывать путем сдергивания
    другие объекты. Альтернативную модель формирования Урана и Нептуна предложил Алан Босс из Института Карнеги в Вашингтоне: вначале эти планеты были такими же массивными, как Юпитер и Сатурн, но затем под влиянием ионизирующего излучения соседних массивных звезд их массы уменьшились. Однако «худеющая» планета скорее будет терять спутники, чем захватывать их. В обеих моделях (торможения в газе и «сдергивания») нерегулярные спутники захватывались на раннем этапе истории Солнечной системы, вероятно, до того, как Земля достигла современной массы. В 1971 г. Бепи Коломбо и Фред Франклин предложили третий, совершенно не похожий на ранее известные сценарии, названный тройным захватом: столкновение двух тел в сфере Хилла планеты может рассеять достаточно энергии для захвата одного из них. Но недавние исследования показали, что не обязательно требуется столкновение. Если три тела обмениваются энергией, то одно из них может увеличить свою энергию за счет других (вариант э ффекта гравитационной пращи, который используется
    для разгона космический зондов). В мае 2006 г. Крейг Эйгнор из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Даг Гамильтон из Мерилендского университета предложили иную форму тройного захвата, при которой двойной объект разрывается гравитацией планеты, при этом один из компонентов выбрасывается, а другой выходит на орбиту.
    Новые открытия показали, что все четыре планеты-гиганта окружены нерегулярными спутниками, поэтому внимание исследователей привлек тройной захват, не требующий обширной газовой оболочки или быстрого роста массы планеты. Для него необходимо лишь достаточное число столкновений или пролетов вблизи планеты, что и могло произойти в конце эпохи формирования планеты: после того как сферы Хилла выросли до нынешних размеров, но до того как оставшиеся от формирования планет планетезимали были выброшены из системы. Тройной захват может объяснить, почему у всех гигантов почти одинаковое число нерегулярных спутников: несмотря на то, что Уран и Нептун не такие массивные, как Юпитер и Сатурн, они расположены дальше от Солнца, и их сферы Хилла имеют сравнимый размер.

Первоначально нерегулярные спутники обращались вокруг Солнца, а затем были захвачены планетами

Первоначально нерегулярные спутники обращались вокруг Солнца, а лишь затем были захвачены своими планетами, о чем свидетельствуют необычные параметры их орбит. Согласно теориям механизма захвата, на первом этапе формирования планет многие тела типа астероидов слились, образовав каменные ядра планет-гигантов, а остальные были захвачены на стационарные орбиты этих планет.

    Но даже если тройное взаимодействие объясняет, как были захвачены нерегулярные спутники, остается вопрос: откуда они взялись? Предлагается два варианта ответа. Спутники могли быть астероидами или ядрами комет, находившимися в той же области Солнечной системы, что и планеты, которые, в конечном счете, захватили их. Большинство планетезималей внедрились в тело планеты или же были выброшены из Солнечной системы. Нерегулярным спутникам повезло: они не были «съедены» или отправлены скитаться в межзвездное пространство.
    Другую возможность предлагает новая модель, в которой Солнечная система была «засорена» планетезималями еще приметно 700 млн. лет после окончания формирования планет. Затем в результате мощного гравитационного взаимодействия Юпитера с Сатурном миллиарды астероидов и комет были хаотически рассеяны в процессе перехода больших планет на их современные стабильные орбиты. Некоторые из блуждающих тел могли быть захвачены. В этом сценарии, предложенным в прошлом году Клеоменисом Теиганисом и его коллегами из Обсерватории Лазурного Берега, большинство рассеянных тел сформировались в поясе Койпера, за орбитой Нептуна. Изучение систем нерегулярных спутников продолжается. Но исследователи уже сделали определенные выводы.

Во-первых, захват спутников произошел на раннем этапе эволюции Солнечной системы – либо при формировании планет, либо сразу же после этого, т.к. в современной Солнечной системе просто нет условий для захвата спутников. Во-вторых, схожесть систем нерегулярных спутников у всех четырех внешних планет-гигантов свидетельствует о том, что они возникли в результате тройного захвата – единственного механизма, который годится как для Нептуна, так и для Юпитера. Таким образом, нерегулярные спутники, скапливающиеся вокруг планет-гигантов, рассказывают нам о событиях прошлого, свидетелями которого мы не были.

---