Газовые луны: возможны ли они?

На этой странице объясняется, почему планеты и луны имеют именно такую ​​атмосферу.

http://abyss.uoregon.edu/~js/ast121/lectures/lec14.html

Сочетание переменных скорости убегания (масса, радиус планеты) и температуры поверхности (расстояние от Солнца плюс эффекты нагрева атмосферы) дает следующую диаграмму. Для ключевых элементов нарисованы линии, показывающие, куда элемент уходит с планеты. Если планета находится ниже этой линии, этот элемент ускользнет.

Все планеты начинаются со всех газов. Большая планета = более высокая скорость убегания, поэтому они удерживают больше газов. Меньшая молекула газа = более высокая скорость, и этим молекулам легче улететь. Горячее = более высокая скорость, и горячие молекулы легче улетучиваются.

Земля и Венера имеют одинаковый размер (и, следовательно, одинаковую скорость убегания), но поскольку Венера горячее, молекулы воды двигались достаточно быстро, чтобы покинуть Венеру, и Венера потеряла свою воду. Тритон намного меньше Земли, но и намного холоднее, поэтому молекулы холодной воды не могут покинуть его. Тритон сохранил свою воду.

Дело в водороде и гелии в том, что они движутся так быстро, что вам нужно быть массивным, чтобы удержаться на них. Или очень холодно. На планете с массой Земли температура Тритона была бы выше линий для водорода и гелия и, таким образом, сохранялась бы и то, и другое.

Самые маленькие известные луны в Солнечной системе очень малы по сравнению с их планетами.

Например, Луна диаметром в один километр может вращаться вокруг газового гиганта, каменистое ядро ​​которого, не считая толстых слоев атмосферы, имеет диаметр 10 000 километров и, таким образом, имеет объем и массу в 1 000 000 000 000 раз больше, чем у Луны.

На самом деле, если этот список отсортировать по радиусу, семь спутников Юпитера имеют радиусы около 0,5 км и, следовательно, диаметры около 1 км, а два спутника Сатурна имеют радиусы около 0,15 и 0,33 км и, следовательно, диаметры около 0,30 и 0,66. километр.

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_natural_satellites[1]

В настоящее время известно 202 спутника четырех планет-гигантов.

Некоторые из них должны иметь менее одной триллионной массы каменистых ядер планет, вокруг которых они вращаются, не говоря уже об общей массе их планет.

Юпитер имеет массу 318 масс Земли, Сатурн имеет массу 95 масс Земли, Уран имеет массу 14,5 масс Земли, а Нептун имеет массу 17 масс Земли. Приблизительный нижний предел массы коричневого карлика примерно в 13 раз больше массы Юпитера и, таким образом, примерно в 4134 раза больше массы Земли. Но это очень грубое приближение.

Ганимед, самый массивный спутник Юпитера, имеет массу 0,0248 массы Земли, 0,0000779 массы Юпитера; Титан, самый массивный спутник Сатурна, имеет массу 0,0225 массы Земли, 0,0002368 массы Сатурна; Титания, самая массивная луна Урана, имеет массу 0,00059 массы Земли, 0,0000406 массы Урана; а Тритон, самый массивный спутник Нептуна, имеет массу 0,003599 Земли, 0,0002177 массы Нептуна.

Планетарные астрономы отделяют планеты земной группы от газовых планет по радиусу, а не по массе, поэтому планета с одинаковой массой может быть либо планетой земной группы, либо газовой планетой в зависимости от того, сколько у нее атмосферы.

Газовый карлик — это газовая планета с каменистым ядром, накопившим толстую оболочку из водорода, гелия и других летучих веществ, в результате чего ее общий радиус составляет от 1,7 до 3,9 радиуса Земли (1,7–3,9 R⊕). Этот термин используется в трехуровневой классификации экзопланет на основе металличности для короткопериодических экзопланет, которая также включает скалистые планеты земного типа с R⊕ менее 1,7 и планеты с R⊕ более 3,9, а именно ледяные гиганты и газовые гиганты. 2

Теоретические исследования таких планет слабо основаны на знаниях об Уране и Нептуне. Без толстой атмосферы она была бы классифицирована как планета-океан. 3 Предполагаемая разделительная линия между каменистой планетой и газообразной планетой составляет около 1,6–2,0 радиуса Земли.[4][5] Планеты с большими радиусами и измеренными массами в основном имеют низкую плотность и требуют расширенной атмосферы, чтобы одновременно объяснить их массы и радиусы, а наблюдения показывают, что планеты больше примерно 1,6 земного радиуса (и более массивные, чем примерно 6 земных масс) содержат значительное количество летучих веществ или газа H-He, вероятно, приобретенного во время образования. 6Такие планеты, по-видимому, имеют разнообразный состав, который не может быть хорошо объяснен одним соотношением массы и радиуса, как это наблюдается для более плотных каменистых планет. Подобные результаты подтверждаются и другими исследованиями.[10][11][12] Что касается массы, то нижний предел может широко варьироваться для разных планет в зависимости от их состава; делящаяся масса может варьироваться от единицы до 20 M⊕.

https://en.wikipedia.org/wiki/Мини-Нептун[2]

Кажется, что наименее массивные газовые карликовые планеты могут иметь массу, подобную массе Земли.

Таким образом, если газообразной луне будет достаточно массы газовой карликовой планеты, возможно, что луна такой же массы, как Земля, может иногда быть газообразной.

Если предел между газовой планетой-гигантом и коричневым карликом составляет около 13 масс Юпитера или около 4134 масс Земли, если газовая планета на краю с массой около 4134 масс Земли имеет самую массивную луну с отношением масс Урана к Титании, эта луна будет иметь масса 0,167 Масса Земли.

Если газовая планета с массой 4134 массы Земли имеет самую большую луну с отношением масс Юпитера к Ганимеду, эта луна будет иметь массу 0,322 массы Земли.

Если газовая планета с массой 4134 массы Земли имеет самую большую луну с отношением масс Нептуна к Тритону, эта луна будет иметь массу 0,8999 массы Земли.

Если газовая планета с массой 4134 массы Земли имеет самую большую луну с отношением масс Сатурна к Титану, ее масса будет равна 0,978 массы Земли.

Итак, если брать примеры из нашей Солнечной системы, у некоторых из самых массивных планет-гигантов на границе с коричневыми карликами должны быть спутники такой же массы, как у планеты Земля, и вполне возможно, что объекты не более массивные, чем Земля иногда превращается в газового карлика.

Но рассмотрим пример Земли и Луны. Луна имеет массу 0,0123 массы Земли. Если бы планета-гигант на границе с коричневыми карликами с массой 4134 Земли имела бы луну с таким отношением масс, эта луна имела бы массу 50,848 Земли.

Конечно, считается, что Луна образовалась из кольца обломков после того, как другая планета столкнулась с Землей, и такое происхождение луны планеты-гиганта может оставить эту луну без газа.

Плутон имеет массу 0,0022 Земли, а его самая большая луна Харон имеет массу 0,00025 Земли, отношение масс около 0,1136. Если бы планета-гигант на границе с коричневыми карликами с массой 4134 Земли имела бы луну с таким отношением масс, эта луна имела бы массу 469,772 Земли.

Конечно, считается, что Плутон и Харон также образовались в результате столкновения.

В настоящее время экзолуны близки к пределу возможности обнаружения, и ни одна предполагаемая экзолуна не была подтверждена.

Большинство кандидатов в экзолуны до сих пор, вероятно, более массивны, чем Земля, и поэтому потенциально могут считаться суперземлями, газовыми карликами, ледяными гигантами или газовыми гигантами.

https://en.wikipedia.org/wiki/Exomoon#List[3]

И если когда-либо будет подтверждено, что спутники с массой Земли или более крупные объекты на орбите являются планетами, а не коричневыми карликами, то отношение массы планеты к массе спутника в нашей Солнечной системе будет средним, а не экстремальным.

Замечу, что Титан, самый большой спутник Сатурна, имеет массу 0,0225 Земли, между Каллисто и Ганимедом, самыми большими спутниками Юпитера, массы соответственно 0,018 и 0,248 Земли.

Их скорость убегания составляет 2,440 км/с на Каллисто, 2,639 км/с на Титане и 2,741 км/с на Ганимеде.

Поскольку Титан находится дальше от Солнца и холоднее, у него должна быть чуть лучшая способность удерживать атмосферу, чем у Каллисто и Ганимеда.

Но атмосфера Титана буквально в миллиарды раз плотнее и буквально в миллиарды раз превышает общую массу атмосфер Каллисто и Ганимеда. И причины этой разницы, насколько мне известно, неизвестны.

Таким образом, если две экзолуны с одинаковой массой вращаются вокруг экзопланет-гигантов и получают одинаковое количество излучения от своих звезд, одна из них может быть в основном безвоздушной скалой, а другая может иметь атмосферу, во много раз более плотную, чем земная, и, возможно, считаться газовым карликом, в зависимости от различные факторы.