Satélites irregulares de los Planetas Gigantes Andrea Maciel – Curso TNOs 2010

Introducción Satélites planetarios: divididos en 2 categorías basadas en *Características orbitales *Supuesto origen Regulares: Interiores, órbitas casi circulares de corto periodo, formados in situ (acreción de la nebulosa protoplanetaria)

Irregulares: exteriores, órbitas en general muy excéntricas e inclinadas de mayor periodo (aproximadamente 1 a 10 años). Capturados de una órbita heliocéntrica (fase final de acreción planetaria, mecanismos colisionales) No hay consenso en un único modelo de captura Existen ~106 descubiertos, 70 con nombre y nº por IAU

Agrupación por parámetros orbitales Júpiter: 1 grupo prógrado y 2 ó 3 retrógrados (Nesvorný et al., 2003; Sheppard and Jewitt, 2003) Prógrado: (a6 = 11:5, i = 28): Himalia (D = 160 km), Elara, Lysithea, Leda y posiblemente S/2000 J11 (se considera perdido). Existen además 2 prógrados aislados: Themisto (a6 = 7.5, i = 43°) y Carpo (a6 = 17.0, i = 51°)

Retrogrados: (a6 = 21, i = 149°): Ananke, Euanthe, Harpalyke, Hermippe, Iocaste, Mneme, Praxidike, Thelxinoe y Thyone (a6 = 23, i = 165°): Carme, Aitne, Arche, Chaldene, Erinome, Eukelade, Isonoe, Kale, Kallichore, Kalyke, Pasithee y Taygete (a6 = 24, i = 151°): Pasiphae, Sinope, Autonoe, Cyllene, Eurydome, Megaclite, Sponde, Helike, Hegemone, Aode y Callirrhoe

Saturno: 2 grupos prógrados y 1 retrógrado (3 subgrupos por i) (a6 = 17, i = 34°): Albiorix, Erriapo, Tarvos y S/2004 S11 (i = 46°): par Kiviuq/Ijiraq (a6 = 11.4), Paaliaq y Siarnaq (a6 = 15 y 18 respectivamente)

Retrógrados: (i = 175°): Phoebe, Suttungr, Thrymr, Ymir y S/2004 S8 (i = 168°): Mundilfari, S/2004 S7, S10, S12, S13, S14, S16 y S17 (i = 153°): Skathi, Narvi = S/2003 S1, S/2004 S9, S15 and S18 (según Jewitt et al.; IAU Circular 8523) Otros 9 reportados por Sheppard et al. (IAU Circular 8727) se ubicarian en estos grupos

Urano: Todos salvo Margaret son retrógrados, se dividen en 2 grupos: (a6 = 7, e = 0.2): Caliban, Stephano, Francisco, y Trinculo (a6 = 16, e = 0.5): Sycorax, Setebos, Prospero, y Ferdinand Neptuno: 7 conocidos Prógrados: Nereid i =7°, Laomedeia = S/2002 N3 i = 35°y Sao = S/2002 N2 i =48° Retrógrados: 3 de 4 formarían un grupo a i ~ 135° (Halimede = S/2002 N1, Neso = S/2002 N4 y Psamathe = S/2003 N1)

Propiedades físicas Albedos: Irregulares grandes de Júpiter con albedo muy bajo: 0.04 a 0.05 (eso + color, similares a los asteroides oscuros tipo C, P y D (ricos en carbono) del cinturón exterior (Cruikshank, 1977) y muy similares a los Troyanos de Júpiter (Fernandez et al., 2003)

Phoebe: albedo promedio ~0. 08 (Simonelli et al Phoebe: albedo promedio ~0.08 (Simonelli et al., 1999), con “manchas” (posiblemente hielo fresco en las paredes de los cráteres (Porco et al., 2005)) Nereid: albedo de ~0.10 (Thomas et al., 1991) Los albedos de Phoebe y Nereid son similares a los encontrados en los KBOs (Grundy et al., 2005; Cruikshank et al., 2005)

Distribución de tamaños: Modelo: n(r)dr = Γr–qdr Comportamientos (suponiendo albedo de 0.04): 10<r<100 km: q~2 5km<r: q~3.5 Neptuno: q~4, incluyendo a Tritón y Nereid q~1.5

Color: Irregulares de Júpiter similares a Troyanos y posiblemente a cometas Irregulares de Saturno significativamente más rojos que los de Júpiter, pero no tanto como KBOs Irregulares de Urano de color muy diverso (incluyendo los más rojos y más azules) Sólo 2 irregulares de Neptuno medidos, no tan rojos como KBOs

Orígenes

Captura por “Nebular gas drag” Al colapsar la nube de gas primordial y pasar cerca un cuerpo pequeño, éste se frena (aerodynamic drag) y se produce la captura del cuerpo (Pollack et al., 1979) Debe tenerse en cuenta: El “espiraleo” hacia adentro del cuerpo no termina al ser capturado: se necesita un colapso rápido de la nube para remover el gas

Los objetos capturados por esta vía deben ser pequeños y evolucionar lo suficientemente lento para sobrevivir el colapso de la envoltura Una evolución de este tipo debió darse antes de la formación de familias, ya que no hay relación entre el tamaño y los elementos orbitales para los satélites irregulares en el modelo (ej.: si la colisión se da antes, los fragmentos se separan en seguida ya que el fenómeno afecta en mayor medida a los objetos más pequeños)

Cuk y Gladman (2006): Cuando Júpiter y Saturno alcanzan la 2:1, si se da una captura continua de objetos por este mecanismo + un decaimiento de objetos en el disco interior (donde se ubican los sat. regulares), el resultado es una población de objetos con órbitas de cada vez menor e, que luego aumentarían el pericentro por resonancia. Testean numéricamente para Saturno

Resultados obtenidos: Distribución en (a, i) es similar a la de los irregulares del planeta, sin embargo las e son un poco más altas que las observadas Proponen además: Mecanismo similar para Urano y Neptuno (cruces de resonancia con Saturno o entre ellos) No funciona para Júpiter

Captura por mecanismos dinámicos Mientras que en el problema de 3 cuerpos (Sol, planeta, satélite) es imposible una captura permanente, si agregamos un 4º cuerpo, el panorama cambia. Nesvorný et al. (2007, basados en el modelo de Nice) encuentran 2 posibles situaciones de captura: Encuentro de un planeta gigante con un planetesimal binario

Encuentro entre 2 planteas gigantes en la fase de scattering del modelo de Nice. En este contexto, Urano y Neptuno pueden tener encuentros con Saturno o entre ellos. Durante estos encuentros, las esferas de Hill se superponen y algunos planetesimales pasando por la región pueden tomar una velocidad tal que queden capturados como satélite permanente.

Testeando numéricamente encuentran que: El modelo es eficiente para un buen número de satélites de Saturno, Urano y Neptuno La distribución orbital de los satélites capturados es aleatoria en la región estable (consistente con la situación actual de Urano y Neptuno, no así con Saturno ya que existen grupos por inclinación), excepto que no se forman satélites retrógrados muy distantes

Si bien la masa total capturada es consistente con la actual, la distribución es diferente (menos cuerpos pequeños) Como en el modelo de Nice, Júpiter no tiene encuentros con otros, ninguno de sus satélites pudo haber sido capturando de esta forma.

Evolución colisional y familias El posible origen común se determina a partir de los elementos orbitales medios (〈a〉, 〈e〉, e 〈i〉), que se obtienen integrando numéricamente las órbitas de cada objeto en una escala de tiempo lo suficientemente larga R. A. Jacobson lo aplica para los irregulares de Júpiter (trabajo no publicado)

Para Ananke y Carme, el posible origen colisional que denotan los grupos de la figura es consistente con las similitudes en el color de los elementos de cada grupo.

Captura caótica Sergey A. Astakhov et al. (2003) proponen que algunos satélites son capturados en una región espacial donde las órbitas son caóticas y la órbita resultante es prógrada o retrógrada dependiendo de la energía inicial. Estas órbitas se vuelven cada vez menos caóticas por disipación y entran a zonas de donde el escape es imposible

Trabajan con CRTBP (Sol, Júpiter, satélite; Sol Saturno satélite) y simulaciones Montecarlo de 108 partículas a 2 energías diferentes, concluyendo que la inclinación resultante depende muy fuertemente de esta. A energías apenas por encima de L1 y L2, sólo las órbitas progradas pueden entrar o salir de la zona de captura, mientras que a energías mayores, también lo hacen las retrógradas. Chaos-assisted capture of irregular moons Authors: Astakhov, Sergey A.; Burbanks, Andrew D.; Wiggins, Stephen; Farrelly, David Affiliation: AA(Department of Chemistry & Biochemistry, Utah State University, Logan, Utah 84322-0300, USA), AB(School of Mathematics, University of Bristol, Bristol BS8 1TW, UK), AC(School of Mathematics, University of Bristol, Bristol BS8 1TW, UK), AD(Department of Chemistry & Biochemistry, Utah State University, Logan, Utah 84322-0300, USA) Publication: Nature, Volume 423, Issue 6937, pp. 264-267 (2003). (Nature Homepage)

Sistema Sol–Júpiter (µ=9.5358x10-4) En a y c, la cte de Jacobi es C=3.0380 y para b y d es C=3.0100

Además toman en cuenta el entorno de cada planeta (satélites capturados tienen que sobrevivir encuentros con los regulares). Utilizando los satélites regulares más exteriores y masivos (Callisto y Titán), obtienen: Saturno más propenso a capturar retrógrados. Esto se debe a que aTitán/rHillS < aCallisto/rHillJ, ya que al ubicar a Titán a la misma relación de distancias que Callisto y Júpiter baja el número

Casos particulares Phoebe: Irregular, variaciones de brillo en superficie r1/2=106.6 ± 1 km ρ1/2=1630 ± 45 kg*m–3 ; compuesta de hielo y silicatos, cuyas concentraciones dependen de la porosidad.

Sin embargo, aún con 0% de porosidad, es mucho más densa que los regulares de Saturno, por lo que no se habría formado in situ. La presencia de hielo y volátiles en superficie sugieren que se formó en un reservorio de material similar a donde se formaron Plutón y Tritón (Clark et al., 2005)

Tritón: Único satélite grande cuya órbita es retrograda r1/2=1350± 1 km ρ1/2=2070 ± 45 kg*m–3 Órbita casi circular y cercana a Neptuno, sin embargo los mecanismos de captura la introducirían como altamente excéntrica y de gran tamaño

Hipótesis de captura: Órbita original con e alta, circularizada por disipación mediante cambios en su interior por mareas (McCord (1966); McKinnon (1984)) Captura luego de una colisión con un satélite preexistente, queda una órbita con e alta que evoluciona por disipación (Goldreich et al. (1989)) Tritón como miembro de un binario que se “desarma“ tras un encuentro con Neptuno, resulta capturado y el compañero escapa, evolucionando luego por disipación (Agnor y Hamilton (2006))

Cuk y Gladman (2005): Suponen existencia de satélites regulares (similares a los de Urano) en Neptuno y muestran que bajo las perturbaciones de Tritón (con e e i inicialmente altas), estos chocarían entre sí en unos ~103 años y formarían un disco de material Este disco sería acretado por Tritón, lo que causaría un decaimiento orbital hasta llegar a la circularización mediante disipación por mareas: Tritón no es simplemente un TNO capturado, sino una mezcla de material local y exterior

Interacción de Tritón con otros satélites de Neptuno (Cuk y Gladman (2005)): Objetos en la parte más interior de la esfera de Hill del planeta vieron su órbita perturbada tras sucesivos encuentros con Tritón, llegando incluso a saltar de órbitas prógradas a retrógradas Goldreich et al. (1989): Nereid inicalmente regular y arrastrada a una órbita irregular tiempo después de ser capturado Tritón. Sucesivos encuentros con Tritón y Nereid habrían desplazado a los irregulares más interiores, dando como resultado la distribución actual de satélites de Neptuno

Referencias “Irregular Satellites of the Giant Planets” P. D. Nicholson, M. Cuk, S. S. Sheppard, D. Nesvorný, and T. V. Johnson + referencias internas (artículo principal) “Constraints on the orbital evolution of Triton” Cuk M. and Gladman B. J. (2005) Astrophys. J. Lett., 626, L113–L116 + referencias internas “Chaos-assisted capture of irregular moons” Astakhov, Sergey A.; Burbanks, Andrew D.; Wiggins, Stephen; Farrelly, David (2003) Nature, Volume 423, Issue 6937 (2003) + referencias internas