Wyścig Saturn kontra Jowisz na liczbę księżyców

Czym jest Księżyc? Nawet małe dziecko nawet jeśli zacytuje definicji, to w sprzyjających warunkach bez problemów wskaże odpowiedni obiekt świecący na niebie. Oczywiście nie własnym światłem, a tym odbitym. Świadomość, że księżyce to również inne ciała, które obiegają planety w Układzie Słonecznym, przychodzi z czasem. Podobnie jak wiedza o ich liczbie. A gdy mówimy o gazowych planetach gigantach, księżyców są dziesiątki, a niedługo ich liczba może przekroczyć nawet sto w przypadku pojedynczej planety. Bo liczby, którymi operujemy to liczby znanych obiektów, a nie wszystkich.

Dwadzieścia maleństw o średnicy około 5 km obiegających Saturna

Najwięcej księżyców miał do niedawna Jowisz. Znamy ich 79 po odkryciu 12 nowych w 2018 roku. Znakomita większość to obiekty niewielkich rozmiarów, diametralnie inne od tych, które odkrył Galileusz. Zresztą te ogromne księżyce, które rozmiarem przyćmiewają nawet Merkurego (pełnoprawną planetę), wedle jednej z propozycji IAU mogłyby zostać kiedyś zaklasyfikowane jako planety.

Tymczasem te mniejsze księżyce mają rozmiary rzędu dziesiątek kilometrów, niektóre z nich są nawet znacznie mniejsze. Tak jest w przypadku nowo odkrytych satelitów Saturna, który do niedawna miał tylko 62 księżyce, a teraz (po ogłoszeniu 20 kolejnych przez Carnegie Institution for Science) liczy ich już 82.

Teleskop, którym zaobserwowano nowe księżyce Saturna (fot: Dr Hideaki Fujiwara, NAOJ)

Odkryte przez Scotta S. Shepparda i jego współpracowników księżyce, to niewielkie obiekty o szacowanej średnicy około 5 kilometrów. Niektóre są większe, niektóre mniejsze niż podana wartość. Pewności stuprocentowej co do rozmiaru nie ma, bo szacunki zakładają konkretną zdolność do odbijania światła. To w pewnym stopniu strzał w ciemno, ale w przypadku takich obiektów, prawdopodobnie celny.

Gdyby takich rozmiarów była asteroida uderzająca w Ziemię, to na pewno skutki byłyby globalne i katastrofalne dla naszej cywilizacji. Jednak 5-kilometrowy obiekt spokojnie obiegający Saturn, a nawet Ziemię, nie budzi niczyjego niepokoju. Ba, budzi nawet rozbawienie swoją wielkością i rodzi pytania, jak w ogóle taki kawał skały dorobił się miana księżyca.

Liczba księżyców dość szybko przestaje robić wrażenie, gdy zdamy sobie sprawę, że są to ciała powstałe prawdopodobnie w wyniku zderzeń większych obiektów we wcześniejszych fazach kształtowania się Układu Słonecznego. I że liczba takich obiektów jest niezliczona. Wystarczy że zostaną one przechwycone przez grawitację gazowego giganta, ich orbita się unormuje i mamy księżyc.

Niewielkie księżyce Saturna, a inne satelity planet w Układzie Słonecznym

Warto tutaj nadmienić, że istnienie Jowisza, a w mniejszym stopniu Saturna i innych dużych planet w Układzie Słonecznym, w ich obecnej lokalizacji pozwala na zabezpieczenie ziemskiego otoczenia przed takimi wielokilometrowych rozmiarów intruzami. Jowisz, Saturn przechwytują te obiekty. Te, które stają się księżycami, według wyjaśnień badaczy, złapane zostały już po uformowaniu się planety. Zbliżone orbity takich grup satelitów Saturna potwierdzają teorię o wspólnym ich przodku - większym obiekcie, który uległ rozpadowi.

Gdyby z kolei taka materia wpadała w pole grawitacyjne jeszcze powstającego Jowisza czy Saturna w ich dyskach protoplanetarnych uległaby spowolnieniu i opadłaby do centrum grawitacji zwiększając masę centralnej planety.

Cóż ciekawego może być w takich stosunkowo niewielkich, jak na kosmiczne ciała niebieskie, obiektach. Poza liczbą, która może robi wrażenie na laiku, ale tylko z początku. Nasze zainteresowanie może wzbudzić kształt ich orbit, odległość od planety, wszystko co dowodzi jak potężną siłą jest grawitacja.

Księżyce w Układzie Słonecznym. Gdy wyświetlicie zdjęcie w pełnym rozmiarze, 1 piksel będzie miał 25 km, cztery razy więcej niż średnica nowych księżyców Saturna. Ziemia dla porównania skali.

Ziemski księżyc znajduje się średnio w odległości 380 tysięcy kilometrów od naszej planety i bardzo powoli, ale stopniowo się oddala. Marsjańskie księżyce obiegają Czerwoną planetę w odległości około dziesięciu do ponad dwudziestu tysięcy km. Księżyce Galileuszowe obiegają Jowisza w odległości od 421 tysięcy kilometrów (Io) do aż 1882 tysięcy kilometrów (Kallisto). Tytan, największy księżyc Saturna obiega planetę z pierścieniem w odległości około 1221 tysięcy kilometrów, ale Enceladus znajduje się prawie milion kilometrów bliżej. Te liczby dowodzą jak zróżnicowane są parametry orbit księżycowych. W przypadku księżyców dawno przechwyconych są one też z dużym przybliżeniem kołowe.

Nowe księżyce Saturna - jak daleko od macierzystej planety

Wśród małych księżyców, szczególnie tych stosunkowo niedawno w skali geologicznej przechwyconych, łatwiej znaleźć takie na orbitach mocno wydłużonych, a także te których kształt obiektu jest mocno nieregularny w przeciwieństwie do kulistych ciał o rozmiarach kilkuset a nawet kilku tysięcy km.

Nowe księżyce zaobserwowano z Ziemi z pomocą należącego do japończyków teleskop Subaru na szczycie Mauna Kea na Hawajach. Dla laika taka astronomia będzie pozbawiona uroku, ale obserwowanie zmieniających swoją pozycję punktów i dopasowywanie do tego parametrów orbit jest właśnie esencją dzisiejszych obserwacji Układu Słonecznego.

Dwa obrazy pokazujące zmianę pozycji jednego z nowych księżyców Saturna. Odstęp czasowy pomiędzy zdjęciami wynosi 1 godzinę (fot: Scott Sheppard)

17 z nowo odkrytych księżyców Saturna należy do grupy Nordyckiej i porusza się wokół Saturna ruchem wstecznym (kierunek przeciwny do ruchu obrotowego księżyca), 2 do Inuickiej (również ruch wsteczny), a jeden Galijskiej i ten ma ruch zgodny z kierunkiem obrotu wokół osi. Na dołączonej ilustracji widać różnice szczególnie pomiędzy orbitami grupy Inuickiej (orbita zaznaczona kolorem niebieskim) i pozostałych (zielony i czerwony), a także znaczącą odległość od samego Saturna.

Te nieregularne księżyce obiegają Saturna w odległości od kilkunastu do prawie 27 milionów kilometrów. Jeden z odkrytych w 2019 roku księżyców z grupy Nordyckiej to najdalszy obecnie satelita Saturna. Największe mają kilkadziesiąt kilometrów średnicy, ale większość jest znacznie mniejsza - kilkanaście, kilka kilometrów. Ze względu na nieregularność kształtu, średnica to w tym przypadku pojęcie względne.

Obecne odkrycie 20 księżyców nie musi zakończyć epoki odkryć takich obiektów wokół Saturna, Jowisza i innych gazowych gigantów. Takich obiektów na pewno jest znacznie więcej, a by ich odkrycie było możliwe wystarczą zaplanowane odpowiednio obserwacje.

Księżyce Saturna - krótka historia odkryć

Wspomniane grupy księżyców - Inuicka, Nordycka i Galijska, to grupy księżyców nieregularnych, ale nie jedyne grupy satelitów Saturna. Jest ich przecież aż 82. Pozostałe znane były nam wcześniej. Największe takie jak Tytan (średnica 5149 km, większy od Księżyca, 3/4 średnicy Marsa), Rhea (średnica 1527 km), Iapetus (średnica około 1500 km) odkryto w XVII wieku. Inne jak Enceladus (średnica 504 km), Dione (średnica 1123 km) pod koniec XVIII wieku. Do końca XIX wieku znaliśmy 8 satelitów Saturna.

Gdy nasza wiedza na temat układu saturniańskiego wydawała się ugruntowana od strony ilościowej (bo wiele z tajemnic jakościowych wyjaśniono dopiero niedawno, a niektóre czekają wciąż na wyjaśnienie) przyszedł czas na odkrycia bardziej nieregularnych obiektów.

Mozaika ze zdjęć wykonanych w 1980 roku przez sondę Voyager 1, pokazująca duże księżyce Saturna (Tytan w prawym górnym rogu, na pierwszym planie Dione, dalej Tetyda i charakterystyczny Mimas, a po lewej Enceladus i Rea)

W 1966 odkryto Janusa (rozmiar średnio 179 km) i Efimeteusza (rozmiar średnio 116 km). Misje Voyagera przyczyniły się do odkrycia kolejnych, znacznie mniejszych. Niektóre jak Pan (średnica około 30 km) poruszają się w obszarze pierścieni Saturna i są określane jako księżyce pasterze. Ich ruch i grawitacja wpływa na kształt i wygląd pierścieni. Późniejsze obserwacje poczynione przez sondę Cassini wyjaśniły wiele niezrozumiałych wcześniej struktur w pierścieniu, a odpowiedzialne za nie są takie małe właśnie księżyce. Nawet tak małe jak kilkaset czy kilkadziesiąt metrów. Takich obiektów mogą być tysiące i raczej nie odkryjemy ich z Ziemi tak jak ostatnich 20 nowych obiektów. Tych mikro księżyców nie wlicza się do ogólnej liczby.

Zdjęcie wykonane przez sondę Cassini około 30 lat po Voyagerze - miniaturowy księżyc Dafnis o średnicy 8 km, który "rzeźbi" pierścienie Saturna

Saturn ze względu na liczbę księżyców i ich różnorodność (Jowisz ma cztery ogromne Księżyce Galileuszowe, ale jego mini układ nie jest tak zróżnicowany) określany jest mianem Układu Słonecznego w miniaturze. Być może w przyszłości okaże się, że w tym określeniu jest jeszcze więcej prawdy. Rozmaitość światów wokół Saturna doskonale ilustrują dwa księżyce - Tytan i Hyperion.

Znajdują się na dość zbliżonych orbitach, uwięzione są w rezonansie grawitacyjnym (na 4 obiegi Tytana wokół Saturna, Hyperion wykonuje 3). Kulisty ogromny Tytan ma azotową atmosferę i mógłby być okreslony mianem planety, a lodowo-skalny Hyperion wygląda jak ociosany kamień. Przypomina malutkie satelity, ma nieregularny kształt (około 360 x 260 x 205 km).

Hyperion porusza się w chaotyczny sposób wokół własnej osi, która stale zmienia orientację w przestrzeni, wciąż zwracając się różną stroną w kierunku planety co również jest wyjątkowe. Orbita Hyperiona jest mocno wydłużona. Orbita Tytana jest prawie kołowa. 

Księżyce Saturna i amatorskie obserwacje

Z tych 82 księżyców Saturna dla miłośnika obserwacji astronomicznych, dysponującego stosunkowo niewielkimi możliwościami, najlepiej dostrzegalnym będzie Tytan (jasność 8 mag). Być może zobaczymy go nawet dobrą lornetką. Potem jest Rea (jasność 9 mag). Tutaj warto zwrócić uwagę na fakt jak dużą rolę w dostrzegalności obiektów gra jego albedo (zdolność odbijania padającego światła). Rea ma ponad 3 razy mniejszą średnicę niż Tytan, ale jest księżycem lodowym, dlatego jej jasność nie jest tak znacząco mniejsza (świeci tylko około 2,5 razy słabiej), choć powierzchnia odbijająca światło w kierunku obserwatora jest ponad kilkanaście razy mniejsza.

Pozycje Saturna i jego największych księżyców o godzinie 17.00 w dniu 1 listopada 2019 roku (źródło: Stellarium)

Coraz lepszych, ale wciąż w zasięgu amatora entuzjasty, są teleskopy, które pokażą nam Dione, Tetydę, Iapetusa, Enceladusa i Mimasa. Z tej siódemki, Iapetus znajduje się najdalej od planety i jej pierścieni. Stosunkowo daleko leży też Tytan. Podobnie jak księżyce Jowisza, okres obiegu tych księżyców wokół Saturna jest stosunkowo krótki (od jednego do 17 dni dla Tytana) i będziemy w stanie odróżnić je od gwiazd analizując ich położenie na kolejnych obserwacjach (astronomia to hobby dla cierpliwych). Jedynie Iapetus obiega Saturna powoli w ciągu 79 dni.

A nowo odkryte 20 księżyców, z orbitami o średnicy kilkudziesięciu milionów kilometrów? Pełen obieg wokół Saturna zajmuje im od około 3 do ponad 4 lat. Z perspektywy obserwatora na Saturnie lub jednym z większych księżyców, nawet jeśli dostrzegalne, są obiektami mało istotnymi. Jednak dla naszej wiedzy o powstawaniu Układu Słonecznego bardzo ważnymi.

A dla najmłodszych, choć nie tylko, są fajną okazją do zabawy i rozwijania swojej wiedzy o Układzie Słonecznym. Pięć z nowo odkrytych księżyców czeka na nazwę, która zostanie wyłoniona w konkursie. Potrwa on do 6 grudnia 2019 roku. By wziąć w nim udział trzeba na Twitterze umieścić wpis skierowany do @SaturnLunacy i opatrzony tagiem #NameSaturnsMoons. A w treści podać nazwę i uzasadnić, mogą być zdjęcia, wybór (najlepiej po angielsku).

Źródło: inf.własna, fot: NASA, NAOJ