Ученые объяснили, почему у Юпитера четыре гигантских спутника, а у Сатурна — только Титан

Художественное изображение симуляций, проведенных в рамках этого исследования. Юпитер (внизу слева) имеет сильное магнитное поле, которое создает полость в его околопланетном диске. Сатурн (вверху справа) лишен сильного магнитного поля, поэтому его околопланетный диск развивается без полости. Credit: Yuri I. Fujii/L-INSIGHT (Kyoto University), Illustrator: Shinichiro Kinoshita

Юпитер и Сатурн — две крупнейшие планеты Солнечной системы, и обе окружены огромными семействами спутников. У Юпитера насчитывается более 100 известных спутников, а у Сатурна, который также обладает обширной системой колец, — более 280.

Состав этих систем спутников сильно различается. У Юпитера есть четыре особенно крупных спутника, включая Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе. У Сатурна, для сравнения, доминирует Титан — второй по величине спутник Солнечной системы.

Давняя загадка формирования спутников

Поскольку и Юпитер, и Сатурн являются газовыми гигантами, астрономы долгое время не могли объяснить, почему их крупные спутники развивались так по-разному. Существующие теории формирования спутников предлагают несколько возможных ответов, но недавние исследования магнитных полей звезд показывают, что некоторые из этих идей, возможно, нуждаются в пересмотре.

Один из нерешенных вопросов касается магнитной аккреции и формирования спутников. Исследователи спорили о том, мог ли в околопланетном диске Юпитера образоваться пустой внутренний регион. Околопланетный диск — это вращающееся скопление материала вокруг молодой планеты, из которого могут формироваться спутники.

Единая физически непротиворечивая теория, способная объяснить системы спутников как Юпитера, так и Сатурна, могла бы также помочь ученым понять планеты и их спутники за пределами Солнечной системы. Эта возможность побудила исследователей из учреждений Японии и Китая, включая Киотский университет, создать новую модель.

«Проверять теорию формирования планет довольно сложно, поскольку у нас есть только наша Солнечная система для сравнения, но рядом с нами есть несколько систем спутников, чьи детальные характеристики мы можем наблюдать», — говорит первый автор исследования Юрий И. Фудзии.

Моделирование молодых Юпитера и Сатурна

Исследователи использовали численное моделирование для изучения внутреннего строения и тепловой эволюции Юпитера и Сатурна, когда планеты были молодыми. Это позволило им оценить, как магнитные поля планет могли меняться с течением времени.

Они также смоделировали околопланетные диски, окружающие оба мира. Кроме того, команда провела N-телесное моделирование для отслеживания формирования спутников и постепенного изменения их орбит. Расчеты выполнялись с использованием кластера ПК в Центре вычислительной астрофизики Национальной астрономической обсерватории Японии.

Магнитное поле Юпитера создало безопасную зону

Симуляции показывают, что различие в системах спутников Юпитера и Сатурна может быть следствием различий в структуре их околопланетных дисков. Эти различия, в свою очередь, по-видимому, контролировались силой магнитного поля каждой планеты.

Молодой Юпитер обладал мощным магнитным полем, которое создало магнитосферную полость внутри его околопланетного диска. Этот внутренний разрыв, вероятно, помог захватить и сохранить Ио, Европу и Ганимед, когда они двигались через диск.

Магнитное поле молодого Сатурна не было достаточно сильным, чтобы создать подобную полость. Без этой защищенной области мигрирующие спутники не могли выжить внутри диска Сатурна.

Прогнозирование систем спутников за пределами Солнечной системы

Эти результаты могут помочь в проведении будущих наблюдений экзолун и дисков, окружающих молодые газовые гиганты. Согласно модели, планеты размером с Юпитер или больше должны, как правило, развивать компактные системы, содержащие несколько спутников.

Однако газовые планеты, близкие по размеру к Сатурну, скорее всего, в конечном итоге будут иметь только один или два спутника.

Исследователи теперь планируют применить свою теорию к другим спутникам и к возможным системам экзолун вокруг далеких планет.

Источники:

Материалы предоставлены Киотским университетом.

Yuri I. Fujii, Masahiro Ogihara, Yasunori Hori. Different architecture of Jupiter and Saturn satellite systems from magnetospheric cavity formation. Nature Astronomy, 2026; 10 (6): 800 DOI: 10.1038/s41550-026-02820-x