Kodėl planetos palydovai negali turėti savo palydovų?
Dau­gu­ma Sau­lės sis­te­mos pla­ne­tų tu­ri pa­ly­do­vų – be jų yra tik Mer­ku­ri­jus ir Ve­ne­ra. Pa­ly­do­vų tu­ri ir di­džio­ji da­lis nykš­tu­ki­nių pla­ne­tų. Ne­se­niai at­ras­tas pir­mas eg­zo­mė­nu­lis – eg­zop­la­ne­tos pa­ly­do­vas. Aps­kri­tai pla­ne­tų pa­ly­do­vai yra daž­nas ir įpras­tas reiš­ki­nys. Daug pa­ly­do­vų tu­rin­čios pla­ne­tos, to­kios kaip Sa­tur­nas ir Ju­pi­te­ris, kar­tais net pa­ly­gi­na­mos su žvaigž­dė­mis ir jų pla­ne­to­mis.

Bet kodėl ši žvaigždės-planetos-palydovo hierarchija turėtų sustoti po dviejų žingsnių? Jei planeta, kuri pati sukasi aplink žvaigždę, gali turėti palydovų, tai kodėl jos palydovai negali turėti savo palydovų? Faktas, kad nežinome nei vieno tokio natūralaus atvejo. O ką sako teoriniai skaičiavimai?

Svarbiausias procesas, nulemiantis sub-mėnulių (taip pat ir mėnulių) egzistavimo galimybę, yra gravitacinė sąveika su aplinkiniais objektais. Pavyzdžiui, mūsų Mėnulį veikia ne tik Žemės, bet ir Saulės gravitacija. Jei būtų pernelyg toli nuo Žemės, Saulės trauka jį atplėštų ir jis nuskristų pats sau nepriklausoma orbita.

Regionas, kuriame planetos gravitacija dominuoja virš žvaigždės gravitacijos, vadinamas Hilo sfera. Žemės Hilo sferos spindulys yra apie 1,5 milijono kilometrų, taigi bet kokie mūsų planetos palydovai galėtų egzistuoti ne toliau, nei šiuo atstumu. Iš tiesų ribinis atstumas yra dar dvigubai mažesnis – nutolus nuo planetos per pusę Hilo sferos, orbita tampa nestabili ir palydovas palyginus greitai pabėga. Merkurijaus Hilo sferos spindulys tesieka 220 tūkstančių kilometrų, Veneros – apie milijoną.

Tai iš dalies paaiškina, kodėl šios planetos neturi palydovų – bet kokiam kūnui prie jų sunkiau išlikti stabilioje orbitoje, nei prie Žemės ar didžiųjų planetų. Iš kitos pusės, šis paaiškinimas tikrai nėra pilnas: Marso Hilo sfera yra netgi šiek tiek mažesnė, nei Veneros, o palydovus jis turi net du.

Kaip yra su Mėnuliais? Mūsų Mėnulio Hilo sferos spindulys yra didesnis nei 50 tūkstančių kilometrų – atrodytų, vietos sub-mėnuliui daugiau nei pakankamai. Tas pat galioja ir kai kuriems kitiems dideliems mėnuliams Saulės sistemoje. Taigi paaiškinimo reikia ieškoti kitur.

Kūnai – ar tai būtų žvaigždės, ar planetos, ar palydovai – nėra taškiniai, todėl skirtingas jų vietas kitų kūnų gravitacija veikia truputį skirtingai. Dėl šių skirtumų kyla potvyniai, o kartais objektai gali išvis subyrėti. Subyrėjimas susijęs su dydžiu, vadinamu Rošė riba.

Tai yra kritinis atstumas tarp dviejų kūnų; šiems suartėjus arčiau už šią ribą, silpnesnę gravitaciją turintį kūną suardo potvyninės jėgos. Net ir nekirtęs Rošė ribos kūnas yra perturbuojamas – dėl didesnio kūno poveikio nuolatos kinta jo sukimosi sparta ir orbita.

Rošė ribos iliustracija. Palydovas, artėjantis prie planetos, kažkuriuo metu yra ištampomas ir suardomas. Atstumas, kuriuo tai įvyksta, yra planetos-palydovo sistemos Rošė riba. Šaltinis: Pearson Prentice Hall

Žvaigždės-planetos-mėnulio sistemoje ilgalaikė evoliucija dažniausiai yra tokia: iš pradžių mėnulis tolsta nuo planetos, o planetos sukimasis lėtėja; vėliau, planetos sukimusi toliau lėtėjant dėl sąveikos su žvaigžde, mėnulis ima artėti prie planetos ir galiausiai į ją atsitrenkia. Aišku, jeigu nebuvo nutolęs tiek, kad pabėgtų iš orbitos.

Būtent tai vyksta Saulės-Žemės-Mėnulio sistemoje: kol kas Mėnulis nuo mūsų tolsta. Labai tolimoje ateityje jis pradės artėti, tačiau tai įvyks gerokai vėliau, nei Saulė baigs savo gyvenimą ir pavirs baltąja nykštuke, o tada Žemės ir Mėnulio apskritai gali nelikti.

Kas vyksta planetos-mėnulio-submėnulio atveju? Ogi tas pats, tik procesas žymiai greitesnis. Toks greitas, kad submėnulio gali nebelikti per mažiau nei 4,5 milijardo metų – dabartinį Saulės sistemos amžių. Tikėtinas submėnulio išgyvenimo laikas priklauso nuo submėnulio ir planetos masių bei nuo įvairių mėnulio parametrų – spindulio, tankio, masės pasiskirstymo ir orbitos spindulio. Visus šiuos dydžius galima sudėti į vieną formulę, kuri leidžia išreikšti norimus dydžius – pavyzdžiui, maksimalų submėnulio, stabiliai išgyvenančio Saulės sistemos amžių, spindulį, priklausomai nuo mėnulio ir planetos, kurių sistemoje jis gyvena.

Tokius skaičiavimus pamačiau šiandien naujame straipsnyje arXiv, todėl ir šitą tekstą parašyti sugalvojau. Beje, straipsnis yra nuostabus – pusantro puslapio teksto! Kaip aš mėgstu tokį kompaktišką pristatymą! Bet grįžtant prie temos, rezultatai yra gana įdomūs: pasirodo, Mėnulis, Jupiterio palydovai Ganimedas ir Kalista, bei Saturno palydovai Titanas ir Japetas galėtų išlaikyti 20 km ir mažesnio (Ganimedo atveju – 5 km ir mažesnio) spindulio submėnulius. Kiti Saulės sistemos planetų palydovai yra per maži, arba sukasi per arti savo planetų, kad galėtų turėti stabilius submėnulius.

Submėnulių egzistavimo parametrų erdvė skirtingoms planetoms (langeliai). Kiekvienos planetos atveju pilka zona žymi palydovų spindulius (vertikali ašis) ir orbitos spindulius (horizontali ašis) planetos spinduliais, kuriems esant palydovas gali turėti stabilų 10 km spindulio ar mažesnį submėnulį. Punktyrinė ir taškinė linijos žymi kitas submėnulio dydžio ribas, juodi apskritimai – egzistuojančių mėnulių savybes. Šaltinis: Kollmeyer & Raymond 2018

Kodėl tokių submėnulių nėra? Kur Mėnulio mėnulinukai ir Titano titaniukai? Gali būti, kad jiems atsirasti trukdo pats planetų formavimosi procesas. Jei palydovas susiformuoja po smūgio į planetą, kaip Mėnulio atveju, chaosas planetos aplinkoje gali tiesiog nepalikti galimybės submėnuliui išlikti stabilioje orbitoje – visi tokie objektai sparčiai subyrėtų ar išlėktų kitur. Didžiųjų planetų palydovai greičiausiai formuojasi diskuose, panašiai kaip planetos. Jie turbūt išsklaido visą disko medžiagą savo aplinkoje, taigi prie jų nelieka submėnulius galinčių suformuoti dujų ir dulkių. Kol kas tai tėra tik spekuliacijos – submėnulių formavimasis nėra plačiai nagrinėjama astrofizikos sritis. Tačiau dabar, atradus Neptūno dydžio egzomėnulį Keplerio 1625b-I, situacija gali pasikeisti. Toks objektas tikrai gali turėti submėnulių, kurių dydis gali siekti net ir didžiausių Saulės sistemos mėnulių dydžius. Taigi tokių objektų paieška gali būti sekantis egzoplanetų įvairovės nagrinėjimo žingsnis.