Même si les géants gaziers de notre système solaire varient considérablement en taille et en masse, ils ont quelque chose en commun. À mesure que ces lunes grossissaient, les restes de gaz les ralentissaient et ils tombaient sur la planète pour être consommés. Les lunes que nous voyons aujourd'hui ont été les dernières à se former autour de leurs planètes mères, après la dissipation du gaz.
Chacune des planètes gazeuses extérieures de notre système solaire héberge un système de plusieurs satellites, et ces objets incluent l'Io volcanique de Jupiter et Europa avec son océan souterrain supposé, ainsi que Titan avec son atmosphère dense et riche en matières organiques à Saturne. Bien que les propriétés individuelles des satellites varient, les systèmes partagent tous une similitude frappante: la masse totale de chaque système satellite par rapport à la masse de sa planète hôte est un rapport presque constant, environ 1: 10 000.
Les recherches des scientifiques du Southwest Research Institute, publiées dans le numéro du 15 juin de Nature, proposent une explication sur la raison pour laquelle les planètes gazeuses affichent cette cohérence, et pourquoi les satellites des planètes gazeuses sont tellement plus petits par rapport à leur planète que les principaux satellites de planètes solides.
Les quatre satellites galiléens de Jupiter ont chacun une taille à peu près similaire, tandis que Saturne a un grand satellite avec de nombreux satellites beaucoup plus petits. Même ainsi, la masse totale dans les deux systèmes de satellites représente environ un centième de un pour cent (0,0001) de la masse de la planète respective. La structure du système satellitaire uranien est similaire à celle de Jupiter, et elle présente également le même rapport de masse. En revanche, les grands satellites des planètes solides contiennent des fractions beaucoup plus grandes des masses de leur planète, la Lune contenant 1% (0,01) de la masse de la Terre et le satellite de Pluton, Charon, contenant plus de 10% (0,1) de sa masse.
Pourquoi les planètes gazeuses, chacune ayant une histoire de formation unique, ont-elles des systèmes satellites contenant une fraction cohérente de la masse de chaque planète, et pourquoi cette fraction est-elle si petite par rapport aux satellites de la planète solide? Le Dr Robin Canup et le Dr William Ward du Département des études spatiales de la SwRI proposent que c'est la présence de gaz, principalement d'hydrogène, lors de la formation de ces satellites qui a limité leur croissance et sélectionné pour une fraction de masse du système satellite commun.
À mesure que les planètes gazeuses se formaient, elles accumulaient de l'hydrogène gazeux et des solides tels que la roche et la glace. La dernière étape de la formation d'une planète gazeuse impliquerait un afflux de gaz et de solides de l'orbite solaire vers l'orbite planétaire, produisant un disque de gaz et de solides en orbite autour de la planète dans son plan équatorial. C'est à l'intérieur de ce disque que les satellites se seraient formés.
Canup et Ward ont estimé que la gravité croissante d'un satellite induit des ondes en spirale dans un disque de gaz environnant et que les interactions gravitationnelles entre ces ondes et le satellite provoquent la contraction de l'orbite du satellite. Cet effet devient plus fort à mesure qu'un satellite grandit, de sorte que plus un satellite devient gros, plus son orbite se rapproche rapidement de la planète. L'équipe propose que l'équilibre de deux processus - l'afflux continu de matériaux vers les satellites pendant leur croissance et la perte de satellites en collision avec la planète - implique une taille maximale pour un satellite planète gazeuse cohérente avec les observations.
À l'aide de simulations numériques et d'estimations analytiques de la croissance et de la perte de satellites, l'équipe montre que plusieurs générations de satellites étaient probables, les satellites d'aujourd'hui étant la dernière génération survivante qui s'est formée à mesure que la croissance de la planète cessait et que le disque de gaz se dissipait. Canup et Ward démontrent qu'au cours de plusieurs cycles de croissance et de perte de satellites, la fraction de la masse de la planète contenue dans ses satellites à un moment donné maintient une valeur pas très différente de 0,0001 dans un large éventail de choix de paramètres de modèle.
Les simulations directes de l’équipe sont également les premières à produire des systèmes de satellites similaires à ceux de Jupiter, Saturne et Uranus en termes de nombre de satellites, de leurs plus grandes masses et des espacements des grandes orbites de satellites.
«Nous pensons que nos résultats montrent clairement que les systèmes satellites de Jupiter et de Saturne se sont formés au sein de disques produits alors que la planète elle-même en était à ses derniers stades de croissance», explique Canup. "Cependant, l'origine du système satellitaire uranien reste plus incertaine, et la probabilité que nos résultats soient applicables à cette planète dépend de la façon dont Uranus a atteint son inclinaison axiale de près de 98 degrés, qui est un sujet d'étude actif."
Pour les systèmes extrasolaires, cette recherche suggère que les plus grands satellites d'une planète de la masse de Jupiter seraient de la taille de la Lune à Mars, de sorte que les exoplanètes de la taille de Jovian ne devraient pas héberger des satellites aussi grands que la Terre. Ceci est pertinent pour l'habitabilité potentielle des satellites dans les systèmes extrasolaires.
Les programmes de recherche en géologie et géophysique planétaires de la NASA et planètes extérieures ont financé cette recherche. L'article, «Une échelle de masse commune pour les systèmes satellites de planètes gazeuses», de Canup et Ward, paraît dans le numéro du 15 juin de Nature.
Source originale: Communiqué de presse SwRI
