A holdrendszerek keletkezése

Egy új elméleti modell sikeresen jelzi előre, mekkora holdjai lehetnek egy óriásbolygónak és azok miért térnek el a Föld-típusú égitestek vagy a Kuiper-objektumok holdjaitól.

A Naprendszer négy óriásbolygója körül sok ezer hold keringhet, de ezeknek csak kisebb részét ismerjük napjainkban. Többségük olyan apró, utólag befogott kísérő, amely nem az óriásbolygókkal együtt született, hanem csak később, gravitációs kölcsönhatások révén állt pályára körülöttük. Az adott óriásbolygóval együtt keletkezett nagyobb tömegű, ún. normális avagy reguláris kísérők száma azonban kevés - tömegük ellenben viszonylag nagy. Ide tartoznak azok a látványos holdak (pl. Io, Europa, Ganymedes, Enceladus, Titan stb.), amelyek az óriásbolygók egyenlítői síkjában, a bolygó tengelyforgásával azonos irányban keringenek.

Ezen holdak tehát szép, egységes rendszert mutatnak, és teljes tömegük jellemzően az adott bolygó tömegének tízezrede körüli. Ezzel szenben a kisebb Föld-típusú bolygóknál és a Kuiper-objektumoknál más a helyzet: a Föld Holdjának a tömege 1%-a bolygónkénak, a Plútó holdjainak össztömege pedig 10%-a a Plútóénak. Utóbbi esetekben olyan kísérőkkel lehet dolgunk, amelyek egy-egy hatalmas becsapódás alkalmával kirepült törmelékből álltak össze. Robin Canup és William Ward (SwRI) legondolása szerint nem véletlen, hogy az óriásbolygók holdjainak tömege általában a központi planéta tízezrede körüli. A magyarázat a holdrendszerek születési folyamatában keresendő.

Az óriásbolygók összeállása két fázisban zajlott. Először ütközésekkel jeges bolygócsírák tapadtak össze egyre nagyobb testekké. Így alakult ki az óriásbolygók magja. Idővel ez a mag akkora tömeget ért el, hogy elkezdte az ősi Nap körüli ún. protoplanetáris korongban maradt gázanyagot (főleg hidrogént és héliumot) is magához vonzani. A gáz minden óriásbolygó körül egy-egy- korongban spirálozott lassan az adott bolygó felé, ebben a korongban természetesen befogott szilárd szemcsék is voltak.

Itt jöhettek létre olyan kisebb sűrűsödések, amelyek végül holdakká fejlődtek. A bolygóközi térből beáramló anyagban a születő óriásbolygó és körülötte keringő, kialakulóban lévő holdjak gravitációs zavaraitól hatalmas spirális sűrűséghullámok keletkeztek. Ezek a születőben lévő holdak pályáját zsugorították, amitől azok egyre közelebb jutottak a központi óriásbolygóhoz. Miközben az adott hold tömege növekedett, a hatás egyre erősebb lett, tehát minél nagyobb lett egy hold, annál gyorsabban vándorolt befelé a korongban.

Azok a holdak, amelyek a fenti folyamat során túl közel jutottak az óriásbolygóhoz bele is zuhannak. A holdak keletkezése, bevándorlása és bezuhanása rendszeresen újraindul és mindaddig zajlott, amíg elegendő friss anyag jutott a korongba a Nap körüli térségből. A korong és a holdak növekedése, valamint a holdak bezuhanása és fogyása így egyensúlyt tartott egymással. A folyamat révén egy adott időpontban a holdak formájában található anyag mennyisége mindig az adott óriásbolygó tömegének tízezrede körül mozgott.

A modell alapján tehát sok hold jön létre egy-egy óriásbolygó körül, de azok többsége a fenti gravitációs kapcsolat révén bespirálozik a központi óriásbolygóba, tehát megsemmisül. Az utolsóként kialakult hold nemzedék befelé vándorlása fokozatosan megállt, ezek az égitestek fennmaradtak és megfigyelhetők napjainkban. A Jupiter és a Szaturnusz esetében a szimulációk jól jelezték előre a mai holdak kialakulását - probléma a nagyon ferde tengelyű Uránusznál mutatkozott. Itt a bolygó és holdjai a pályasíkjára állított merőlegessel 98 fokos szöget zárnak be - túl extrém körülményeket adva a jelenlegi modell futtatásához.

A számítások az utóbbi években felfedezett exobolygók feltételezett holdjaira, illetve a velük kapcsolatos feltételezésekre is hatással vannak. A modell alapján a Jupiter-kategóriájú exobolygók legnagyobb holdjai a mi Holdunkhoz, vagy legfeljebb a Marshoz hasonló tömegű égitestek lehetnek.