Новое международное исследование показало, что различия в содержании воды между крупнейшими спутниками Юпитера — Ио и Европой — были определены сразу же во время их формирования около газового гиганта, а не появились в результате поздней эволюции. Работа опубликована в The Astrophysical Journal и проливает свет на процессы образования естественных спутников в системе Юпитера.
Галилеевы спутники — это четыре крупнейших луны Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Их первые наблюдения были сделаны Галилео Галилеем более 400 лет назад и кардинально расширили наши знания о многообразии небесных тел в Солнечной системе.
Ключевой контраст: Ио и Европа
Одной из самых поразительных особенностей системы больших спутников Юпитера является резкий контраст между ближайшими телами:
- Ио — ближайший к планете спутник, считается весьма сухим и практически лишённым водяного льда, но при этом обладает наибольшей вулканической активностью в Солнечной системе.
- Европа, которая лишь немного дальше от Юпитера, содержит обширный подповерхностный океан жидкой воды под толщей льда, что делает её одним из ключевых объектов в поисках условий, пригодных для жизни.
Учёные долгое время обсуждали, когда и как формировались такие различия: были ли спутники изначально похожи по составу, и затем один из них терял воду в процессе эволюции, или же эти особенности закрепились сразу при формирование. Новое исследование показало, что различия связаны именно с условиями аккреции материала вокруг Юпитера.
Что именно выяснили исследователи
Для ответа на этот вопрос международная команда под руководством специалистов из Aix-Marseille University и Southwest Research Institute (SwRI) провела моделирование самых ранних этапов формирования спутников. Учёные учитывали сочетание множества факторов, которые влияли на условия аккреции и последующую эволюцию:
- тепловую энергию, выделяющуюся при самом формировании спутников (аккреционный нагрев);
- радиоактивный распад тяжёлых элементов;
- приливное нагревание вследствие взаимодействия с массивным Юпитером;
- интенсивное излучение, исходящее от молодого газового гиганта.
Используя комплексные численные модели, учёные проверили две основные гипотезы, объясняющие различия:
- Ио и Европа изначально сформировались с одинаковыми количествами воды, но Ио впоследствии потерял большую часть водяного льда в процессе эволюции.
- Ио и Европа изначально имели разный состав материала: Ио — из более сухого вещества, а Европа — из материала, богатого льдом.
Модели показали, что первая гипотеза не выдерживает физической проверки: даже при экстремальных условиях Ио не смог бы эффективно избавиться от своего первоначального водного компонента. В то же время Европа также не могла лишиться своей воды в таких моделируемых процессах, что указывает на то, что различие было заложено ещё на стадии формирования.
Формирование спутников в протопланетном диске Юпитера
Современная теория образования больших спутников предполагает, что они возникли в газово-пылевом диске, окружавшем молодого Юпитера, аналогичном протопланетному диску, из которого формировались планеты вокруг Солнца. Различия в условиях внутри этого диска — например, температура и распределение льда и сухого материала — определяли состав формирующихся тел.
Исследование указывает, что материалы, из которых формировался Ио, прошли через «линию обезвоживания» внутри диска, где температура была слишком высокой для устойчивого существования водяного льда. Это означало, что Ио просто не мог аккрецировать значительное количество водяного льда — он был практически «сухим» с момента своего рождения.
Напротив, Европа формировалась из материалов, находившихся на более удалённых и более холодных участках диска, где лёд сохранялся, и этот лёд и более сложные гидратированные минералы вошли в состав спутника непосредственно на стадии аккреции.
Как это меняет наше понимание эволюции спутников
Результаты исследования опровергают предыдущие предположения о том, что Ио сначала мог быть похож на Европу по содержанию воды, но затем утратил её из-за процессов дегазации, эрозии или других механизмов. Новая модель показывает, что различия между спутниками обусловлены их первичным материалом и условиями формирования.
Это важно для понимания эволюции сложных систем спутников вокруг газовых гигантов не только в нашей Солнечной системе, но и, вероятно, у других звёзд. Подобные процессы могли иметь место и у экзопланетных систем, где крупные газовые планеты также формируют собственные ансамбли лун.
Дальнейшие наблюдения и миссии
Полученные результаты будут проверены и уточнены в ближайшее десятилетие благодаря новым космическим миссиям. Среди них:
- NASA Europa Clipper, запланированная к приближённым исследованиям Европы, где зонд сможет измерить состав льда и изотопные соотношения водяных молекул, что поможет уточнить происхождение её воды.
- ESA JUICE (JUpiter ICy moons Explorer), миссия Европейского космического агентства, также предназначенная для детального изучения Галилеевых спутников — включая измерения плотности, состава и структуры льда и океанов.
Эти данные позволят подтвердить или скорректировать современные модели формирования спутников с точки зрения распределения вещества в раннем протодиске Юпитера.
Заключение
Новое исследование подтверждает, что различия в содержании воды между крупнейшими спутниками Юпитера — Ио и Европой — возникли ещё при их формировании, а не стали результатом поздних эволюционных процессов. Ио сформировался преимущественно из сухого, обезвоженного материала, тогда как Европа аккрецировала водосодержащие компоненты. Эта фундаментальная разница формирует основу для дальнейших исследований происхождения и эволюции спутников газовых гигантов.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
