Предельная масса планетарного кольца

Пара моментов по этому поводу. В то время как слабые кольца могут существовать за пределами предела Роша (например, кольца G и E Сатурна) — фотография слишком велика, чтобы связать ее, но нажмите здесь . кольца любой значительной массы будут находиться только в пределах предела Роша, поэтому практический предел массы кольца планеты примерно равен массе самой большой луны, которая может быть у планеты, грубо говоря.

Кольцо вокруг планеты может образоваться двумя способами: в результате гигантского удара, когда Луна проходит внутри предела Роша и распадается на части, или в результате аккреции, подобно тому, как Энцелад питает слабое кольцо Сатурна.

Кроме того, кольца не обязательно должны быть особенно массивными, чтобы производить впечатление. Оцененная здесь масса колец Сатурна (и в этой оценке есть некоторая неопределенность, но достаточно близкая для наших целей)

Основываясь на наблюдениях "Вояджера", общая масса колец оценивается примерно в 3 x 10^19 кг. Это небольшая доля от общей массы Сатурна (около 50 частей на миллиард) и чуть меньше, чем у спутника Мимас .

Итак, масса колец Сатурна равна массе довольно маленькой луны, чуть менее 200 км в радиусе, но это был не ваш вопрос, так что идем дальше.

Наблюдалась планета с кольцами в 200 раз больше размера Сатурна (в 40 000 раз больше площади поверхности), и если мы предположим ту же плотность, что и у колец Сатурна (что очень плохое предположение, но это всего лишь приближение), 1,2 x 10 ^ 24, или примерно в два раза больше массы Марса. Теперь мы кое-что получили, но есть несколько замечаний по нашему другу J1407B.

Во-первых, это может быть вовсе не планета. Его масса оценивается в 10-40 юпитеров, что предполагает, что он относится к категории коричневых карликов. Во-вторых, это молодая солнечная система, ей всего 16 миллионов лет, поэтому система колец может все еще находиться в процессе формирования лунной системы и вовсе не быть постоянным кольцом. Источник . Кроме того, в той же статье упоминается, что части системы колец блокируют 95% солнечного света, так что это гораздо более плотная система, чем Сатурн, и там есть луна, которая, как считается, в 0,8 раза больше массы Земли , но я все еще не знаю. Не думаю, что это должно иметь значение, поскольку это может быть аккреционный диск, оставшийся от образования этой солнечной системы.

Если мы установим предел массы планеты примерно в 13 масс Юпитера, что примерно является границей между тяжелым Юпитером и коричневым карликом, и примем некоторые оценки размера лун к планетам во время формирования, маловероятно, что луны могут быть более чем в соотношении от одного к нескольким сотням из-за ограничений углового момента и вероятного размера образования. В нашей Солнечной системе самое большое отношение Луны к планете, не считая гигантских столкновений или захватов, составляет примерно 1 к 4200 (Сатурн к Титану). Юпитер к Ганимеду составляет от 1 до 12 800, а Тритан к Нептуну (а Тритан может быть захваченным спутником) — от 1 до 4 800. Если мы предположим тяжелый Юпитер массой примерно в 13 юпитерианских и луну на падающей орбите, которая распадается с отношением масс 1 к 400 - и, разумеется, это очень приблизительно, тогда эта теоретическая оценка работает до практического предела вокруг тяжелого Юпитера, чтобы иметь лунную систему примерно в 10 масс Земли. (1/400 массы планеты массой 13 масс Юпитера).

Теперь есть творческие способы увеличить его, например, скажем, есть две луны, возможно, в троянских точках друг на друга, и они обе постепенно закручиваются. Или, скажем, проходящий мимо объект большей массы пролетает мимо, но проблема с проходящим объектом заключается в том, что из-за скорости космической скорости такой объект, если он проходит в пределах предела Роша, будет иметь сильно вытянутую орбиту, которая не поддается кольцевой системе, поскольку импульс эллиптической орбиты будет проходить только через сферу Роша, а не оставаться внутри нее. Что вам нужно для формирования кольцевой системы хорошего размера, так это медленно затухающая круговая орбита, а не недавний захват большого проходящего объекта.

См. Сапожник Леви 9, который прошел, но быстро вернулся за пределы Роша Юпитера.

Теперь, если мы представим сценарий двойной планеты, что, вероятно, является редким сценарием, но не невозможным, и со временем из-за близости и приливных сил две планеты образуют распадающуюся круговую орбиту вокруг друг друга, в этой теории, скажем, мы есть два тяжелых Юпитера, вращающихся вокруг друг друга, один из 12 масс Юпитера, а другой из 6 масс Юпитера (чисто теоретически), и планета с массой 6 Юпитера начинает распадаться, когда она входит в предел Роша массы 12 Юпитера. Есть 2 проблемы с предположением, что вы получите кольцо с половиной массы планеты. Во-первых, газообразный водород и гелий, вероятно, составляют не менее 80% массы планеты, которая распадается на части, возможно, 90%, а водород и гелий не так легко связываются с частицами льда, поэтому со временем большая часть этого газа, вероятно, распадется. сдувается солнечным ветром. Ты' Остается с каменистой и ледяной массой чуть меньше 6 масс Юпитера, вероятно, меньше 1. Другая проблема заключается в том, что с таким большим объектом на орбите он не распадается на части сразу, но его более плотное ядро ​​остается вместе. и спиралевидно приближается к планете, в то время как более легкие льды вокруг поверхности, которые начинают формировать кольцо, могут раскручиваться и отбрасываться либо в планету, либо за пределы предела Роша, поскольку более плотное ядро ​​меньшей из двух планет движется медленно приближаясь, возникнет эффект пылесоса, разрушающий то самое кольцо, которое формирует планета. Для меньших спутников этот эффект можно увидеть вокруг Сатурна, поскольку крошечные спутники создают крошечные разрывы в кольцах Сатурна. С гораздо более массивным ядром планеты, формирующей луну, вы получите орбитальный хаос, и это не Это не лучший сценарий для формирования кольца, даже со всем доступным материалом для кольца. Вы все равно, вероятно, получите кольцо, но я думаю, что только небольшой процент массы исходной меньшей планеты переживет этот процесс.

Аналогичная проблема возникает при гигантских ударах. Если удар слишком сильный, планета распадается на части. Если он не настолько велик, как предполагалось при гигантском столкновении с Землей 4,4 миллиарда лет назад, то обломки выбрасываются ветром за предел Роша и образуют луну, в нашем случае равную 1/81 массы Земли, хотя и время, возможно, было немного больше, может быть, 1/72-74 или около того, и, вероятно, изначально было две луны, а не одна, но я отвлекся. Дело в том, что для того, чтобы обломки слетели с планеты, но остались в пределах предела Роша, так что они образуют кольцо, а не луну, вам нужно меньшее столкновение, чем то, которое сформировало нашу Луну, а меньшее столкновение подразумевает меньшее количество мусора, поэтому с Скалистые миры, что это значит, 1/100? 1/200? Где-то там.

Таким образом, существуют практические пределы размера кольцевой системы, которую вы, вероятно, увидите (если мы проигнорируем информацию о молодых солнечных системах, таких как J1407b. Это очень приблизительное предположение, но я думаю, что практический предел для кольца система, вероятно, довольно мала по сравнению с массой планеты, например, отношение 1 к 200 или около того, что, если у вас есть планета массой 13 юпитеров, это все еще довольно много массы.Если мы используем 1 к 200 отношение и 13 юпитеров, это масса 20 земных.Мне очень трудно понять, как система колец вокруг планеты может стать намного массивнее, чем это.

Теперь, в теории, скажем, мы хотим построить систему колец, и мы проектируем этот огромный снегоуборщик, и мы выдуваем ледяные кристаллы вокруг планеты, просто для развлечения. Кольцевая система, вероятно, останется стабильной даже после такой массы. У меня нет средств, чтобы рассчитать, где нестабильность может вступить в игру, но если вы построите свою собственную систему колец вокруг планеты, вы, возможно, сможете получить систему колец массой в 1/10 массы планеты, может быть. еще немного, прежде чем возобладала какая-то гравитационная нестабильность. Я не думаю, что вы когда-нибудь увидите это в естественной ситуации, но теоретически я думаю, что это можно сделать.

Теперь, чтобы ответить на ваши вопросы:

зависит ли это от массы планеты?

абсолютно. Масса планеты (и ее плотность) определяет размер ее предела Роша, который определяет, насколько далеко может простираться система колец. Как указывалось выше, у планет могут быть кольца за пределом Роша, но только слабые. Плотные/толстые кольца формируются только внутри предела Роша, и чем массивнее планета, тем больше предел Роша.

наличие/отсутствие лун?

Маленькие луны не имеют большого значения. Внутри колец Сатурна есть маленькие луны, и они создают небольшие разрывы в его системе колец. Большие луны, особенно если они находятся близко к планете, могут создавать гравитационные нарушения и не годятся для постоянной системы колец.

расстояние до звезды или другие параметры?

Лучше всего за линией промерзания, потому что там лед не тает. Льды составляют большую массу нашей Солнечной системы и, вероятно, большинства солнечных систем, чем каменистый материал, и они легче разрушаются, поэтому, говоря статистически, кольцевая система должна работать лучше вдали от Солнца, в нашем случае, по крайней мере, на расстоянии Юпитера. Огромное магнитное поле Юпитера также может быть неблагоприятным для кольца в долгосрочной перспективе, поэтому в дополнение к удаленности от Солнца вам понадобится планета без слишком сильного магнитного поля, которое выбрасывает высокоскоростные заряженные частицы через кольцо. Вот забавная статья о том, как магнитное поле Сатурна разрушает его кольцо . Юпитер растопит любое ледяное кольцо, которое у него есть, намного быстрее, чем это делает Сатурн.

Надеюсь, что это было не слишком долго, и это больше моя попытка решить это, чем окончательный ответ, но пока мы не получим гораздо лучшие телескопы, окончательного ответа на этот вопрос может и не быть.