Teoretycznie księżyce mogłyby mieć własne naturalne satelity. Dlaczego zatem ich nie obserwujemy?

Niektóre księżyce planet Układu Słonecznego są ogromne. Księżyc Jowisza Ganimedes, największy naturalny satelita Układu Słonecznego, ma średnicę 5268 km, czyli jest 1,5 razy szerszy od naszego Księżyca i ponaddwukrotnie odeń masywniejszy. Księżyc Saturna Tytan ma średnicę 5149 km – jest o 6% większy od Merkurego i o 50% większy od ziemskiego Księżyca. Natomiast Kallisto, drugi co do wielkości księżyc Jowisza, ze średnicą 4821 km jest mniej więcej o jedną trzecią większy od Księżyca.

Nie tylko masa ma znaczenie

Pod względem masy i rozmiarów Ganimedes, Tytan i Kallisto są wystarczająco duże, aby móc utrzymywać satelity, gdyby krążyły samodzielnie wokół Słońca jako planety. Jednak astronomowie nie zarejestrowali żadnych satelitów krążących wokół masywnych księżyców. Dlaczego?

Zacznijmy od tego, że każde ciało niebieskie ma wokół siebie obszar, w którym dominuje jego grawitacja. Obszar ten zwany jest sferą Hilla. Aby księżyc mógł utrzymać własnego satelitę, musi posiadać odpowiednio dużą sferę Hilla. Im bliżej planety znajduje się księżyc, tym mniejsza jest jego sfera Hilla, a zatem trudniej utrzymać subksiężyc na stabilnej orbicie.

Ponadto aby zapewnić dynamiczną stabilność, układ księżyc-gospodarz musi mieć sferę Hilla większą niż jego własny promień fizyczny oraz większą niż limit Roche’a. Limit Roche’a jest to minimalna odległość, w której satelita może krążyć, nie zostając rozszarpanym przez siły pływowe. Grawitacja planety (lub księżyca-gospodarza) ciągnie mocniej w stronę bliższego boku satelity niż dalszego – to rozciąganie. Gdy satelita jest zbyt blisko, rozciąganie przewyższa jego własną grawitację i obiekt się rozpada. Właśnie tak powstały pierścienie Saturna.

Grawitacja planety

Jak wyjaśnia w artykule opublikowanym na łamach „New Scientist” dr Russell Sceats z Uniwersytetu w Essex w Wielkiej Brytanii, księżyce zazwyczaj nie mają własnych księżyców, ponieważ planeta, wokół której krążą, wywiera znacznie silniejszy wpływ grawitacyjny niż sam księżyc. – Każdy obiekt próbujący krążyć wokół księżyca byłby silnie zakłócany przez grawitację planety, co z czasem prowadziłoby do niestabilności jego orbity. W rezultacie taki obiekt albo spadłby na księżyc, albo przeszedł na orbitę wokół planety, albo został całkowicie wyrzucony z układu. Dlatego nie obserwujemy stabilnych naturalnych układów subksiężyców – przekonuje badacz.

Ciekawy przypadek Księżyca

Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, warto przyjrzeć się naszemu Księżycowi. Znajduje się wystarczająco daleko od Ziemi, aby móc utrzymać subksiężyc, ponadto jest całkiem masywny. Mimo to nie ma subksiężyców. Zdaniem badaczy wiąże się to z ewolucją naszego naturalnego satelity.

Po powstaniu Księżyc krążył znacznie bliżej Ziemi i stopniowo oddalał się na obecną odległość. Subksiężyce mogłyby stać się stabilne dopiero wtedy, gdy Księżyc znalazł się dalej niż około 30 promieni Ziemi, co miało miejsce dość późno w historii układu Ziemia–Księżyc.

– Ziemia i jej Księżyc tworzą układ dwóch ciał grawitacyjnych, w którym oba obiekty krążą wokół wspólnego środka masy, zwanego barycentrum. Ziemia nie pozostaje nieruchoma, gdy Księżyc ją okrąża – oba ciała poruszają się pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego – twierdzi naukowiec.

Układ quasi-podwójny

Dodaje, że Księżyc jest niezwykle duży w porównaniu z Ziemią, zwłaszcza na tle większości układów planeta–księżyc. W rezultacie barycentrum jest wyraźnie przesunięte względem środka Ziemi, a ruchy obu ciał są silnie ze sobą sprzężone. Barycentrum znajduje się na linii łączącej środek Ziemi z Księżycem, około 1700 kilometrów pod powierzchnią Ziemi.

Patrząc na ten układ dynamicznie, Ziemia i Księżyc nie są po prostu planetą i jej satelitą, lecz parą ciał krążących wokół wspólnego barycentrum. Chociaż Księżyc jest tradycyjnie klasyfikowany jako naturalny satelita Ziemi, Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) nie ustanowiła powszechnie akceptowanej definicji „planety podwójnej”.

Z tego powodu niektórzy naukowcy określają układ Ziemia–Księżyc jako mający charakter „quasi-podwójny” (binary-like). Nawet jeśli oficjalnie nie jest on uznawany za układ planety podwójnej, stanowi jeden z najbliższych przykładów takiej konfiguracji w całym Układzie Słonecznym.

Źródła: newscientist.com, academic.oup.com

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.