Естественный спутник в наиболее распространенном использовании — это астрономическое тело , вращающееся вокруг планеты , карликовой планеты или небольшого тела Солнечной системы (или иногда другого естественного спутника). Естественные спутники в просторечии называются лунами , производными от Луны Земли .
В Солнечной системе имеется шесть планетарных спутниковых систем , в общей сложности содержащих 284 известных естественных спутника. Известно также , что восемь объектов, обычно считающихся астрономами карликовыми планетами, имеют естественные спутники: Оркус , Плутон , Салация , Хаумеа , Квавар , Макемаке , Гонгонг и Эрида . [1] По состоянию на ноябрь 2021 года известно [update]о 442 других малых планетах, имеющих естественные спутники . [2]
Масса планеты обычно примерно в 10 000 раз превышает массу любого естественного спутника, вращающегося вокруг нее, и, соответственно, гораздо большего диаметра. [3] Система Земля -Луна является уникальным исключением в Солнечной системе; Луна имеет диаметр 3474 километра (2158 миль), что в 0,273 раза больше диаметра Земли и составляет около 1/80 ее массы. [4] Следующими по величине отношениями являются система Нептун - Тритон с 0,055 (с отношением масс около 1 к 4790), система Сатурн - Титан с 0,044 (со вторым после системы Земля-Луна отношением масс от 1 к 4220), системы Юпитер - Ганимед на 0,038 и системы Уран - Титания на 0,031. Из категории карликовых планет наибольшее соотношение имеет Харон : он составляет 0,52 диаметра и 12,2% массы Плутона .
Первым известным естественным спутником была Луна , но она считалась «планетой» до тех пор, пока Коперник не представил De Revolutionibus orbium coelestium в 1543 году. До открытия галилеевых спутников в 1610 году не было возможности отнести такие объекты к классу . Галилей решил называть свои открытия Planetæ ( «планеты»), но более поздние первооткрыватели выбрали другие термины, чтобы отличить их от объектов, вокруг которых они вращались. [ нужна цитата ]
Первым, кто использовал термин « спутник» для описания тел, вращающихся вокруг орбиты, был немецкий астроном Иоганн Кеплер в своей брошюре « Narratio de Observatis a se quatuor Iouis satellitibus erronibus» («Повествование о четырех наблюдаемых спутниках Юпитера») в 1610 году. Он получил этот термин от латинского слова « спутник». Слово satelles означает «охранник», «помощник» или «спутник», потому что спутники сопровождали свою основную планету в ее путешествии по небесам. [5]
Таким образом , термин «спутник» стал обычным для обозначения объекта, вращающегося вокруг планеты, поскольку он избегал двусмысленности слова «луна». Однако в 1957 году запуск искусственного объекта «Спутник» создал потребность в новой терминологии. [5] От терминов «искусственный спутник» и «искусственная луна» очень быстро отказались в пользу более простого спутника , и, как следствие, этот термин стал ассоциироваться в первую очередь с искусственными объектами, летающими в космосе. [ нужна цитата ]
Из-за этого изменения значения термин « луна» , который продолжал использоваться в общем смысле в научно-популярных и художественных произведениях, вновь обрел респектабельность и теперь используется как синоним естественного спутника даже в научных статьях. Когда необходимо избежать как двусмысленности путаницы с естественным спутником Земли Луной и естественными спутниками других планет, с одной стороны, и искусственными спутниками, с другой, используется термин « естественный спутник » (используя «естественный» в смысле, противоположном к «искусственному»). Чтобы избежать двусмысленности, принято писать с заглавной буквы слово «Луна», когда речь идет о естественном спутнике Земли (имя собственное ), но не когда речь идет о других естественных спутниках ( нарицательные существительные ).
Многие авторы определяют «спутник» или «естественный спутник» как вращающийся вокруг какой-либо планеты или малой планеты, что является синонимом слова «луна» - согласно такому определению все естественные спутники являются лунами, но Земля и другие планеты не являются спутниками. [6] [7] [8] Некоторые недавние авторы определяют «луну» как «спутник планеты или малой планеты», а «планету» как «спутник звезды» – такие авторы считают Землю «естественным спутник Солнца». [9] [10] [11]
Не существует установленного нижнего предела того, что считается «луной». Каждое естественное небесное тело с определенной орбитой вокруг планеты Солнечной системы (некоторые из них размером всего в километр в поперечнике) считалось луной, хотя объекты в десятую часть этого размера в кольцах Сатурна, которые непосредственно не наблюдались, назывались луной. лунники . Маленькие спутники астероидов (естественные спутники астероидов), такие как Дактиль , также называются лунными спутниками. [12]
Верхний предел также неясен. Два вращающихся тела иногда называют двойной планетой , а не основной и спутником. Астероиды , такие как 90 Антиопа, считаются двойными астероидами, но они не привели к четкому определению того, что представляет собой луна. Некоторые авторы считают систему Плутон–Харон двойной (карликовой) планетой. Самая распространенная разделительная линия того , что считается луной, основана на том, находится ли барицентр ниже поверхности большего тела, хотя это несколько условно, поскольку зависит от расстояния, а также от относительной массы.
Обычно считается , что естественные спутники, вращающиеся относительно близко к планете по прямым , ненаклонным круговым орбитам ( обычные спутники ), образовались из той же области коллапса протопланетного диска , которая создала его основную. [13] [14] Напротив, спутники неправильной формы (обычно вращающиеся на далеких, наклонных , эксцентрических и/или ретроградных орбитах) считаются захваченными астероидами, которые , возможно, еще больше фрагментируются в результате столкновений. Большинство крупных естественных спутников Солнечной системы имеют регулярные орбиты, тогда как большинство малых естественных спутников имеют неправильную орбиту. [15] Луна и спутники Плутона являются исключениями среди крупных тел, поскольку считается, что они возникли в результате столкновения двух крупных протопланетных объектов в начале истории Солнечной системы (см. гипотезу гигантского удара ). [16] [17] По прогнозам, материал, который должен был быть выведен на орбиту вокруг центрального тела, вновь образовал один или несколько орбитальных естественных спутников. Считается, что в отличие от тел размером с планету спутники астероидов обычно образуются в результате этого процесса. Тритон — еще одно исключение; Несмотря на то, что она большая и находится на близкой круговой орбите, ее движение ретроградное, и считается, что это захваченная карликовая планета .
Захват астероида с гелиоцентрической орбиты не всегда перманентен. Согласно моделированию, временные спутники должны стать обычным явлением. [18] [19] Единственные наблюдаемые примеры: 1991 VG , 2006 RH 120 , 2020 CD 3 .
2006 RH 120 был временным спутником Земли в течение девяти месяцев в 2006 и 2007 годах. [20] [21]
Большинство обычных лун (естественных спутников, движущихся по относительно близким и поступательным орбитам с небольшим наклоном орбиты и эксцентриситетом) в Солнечной системе приливно привязаны к своим основным основным элементам, а это означает, что одна и та же сторона естественного спутника всегда обращена к своей планете. Это явление возникает из-за потери энергии из-за приливных сил, поднятых планетой, замедляющих вращение спутника до незначительного уровня. [22] Исключения известны; Одним из таких исключений является естественный спутник Сатурна Гиперион , который хаотично вращается из-за гравитационного влияния Титана . Четыре маленьких спутника Плутона по окружности также вращаются хаотично из-за влияния Харона. [23]
Напротив, внешние естественные спутники планет-гигантов (неправильные спутники) находятся слишком далеко, чтобы их можно было заблокировать. Например, Гималия Юпитера , Феба Сатурна и Нереида Нептуна имеют периоды вращения в пределах десяти часов, тогда как периоды их обращения составляют сотни дней.
Никаких «спутников лун» или субспутников (естественных спутников, вращающихся вокруг естественного спутника планеты) в настоящее время не известно. В большинстве случаев приливные воздействия планеты сделают такую систему нестабильной.
Однако расчеты, выполненные после обнаружения в 2008 году [24] возможной системы колец вокруг спутника Сатурна Реи , показывают, что спутники, вращающиеся вокруг Реи, могут иметь стабильные орбиты. Кроме того, предполагаемые кольца считаются узкими, [25] явление, обычно связанное с пастушескими лунами . Однако целевые изображения, сделанные космическим кораблем Кассини , не смогли обнаружить кольца вокруг Реи. [26]
Также было высказано предположение, что у спутника Сатурна Япета в прошлом был спутник; это одна из нескольких гипотез, выдвинутых для объяснения его экваториального хребта . [27]
Анализ кривой блеска показывает, что неправильный спутник Сатурна Кивиук чрезвычайно вытянут и, вероятно, является контактной двойной звездой или даже двойной луной. [28]
Известно, что у двух естественных спутников есть небольшие спутники в точках Лагранжа L4 и L5 , на шестьдесят градусов вперед и назад от тела на его орбите. Эти спутники называются троянскими лунами , так как их орбиты аналогичны троянским астероидам Юпитера . Троянские спутники — Телесто и Калипсо , которые являются соответственно ведущим и последующим спутниками сатурнианской луны Тефии ; и Елена и Полидевк , ведущие и последующие спутники сатурнианской луны Дионы .
Открытие в начале 1990-х годов естественного спутника 243 Иды «Дактиль» подтвердило, что у некоторых астероидов есть естественные спутники; действительно, у 87 Сильвии их двое. Некоторые из них, такие как 90 Антиопа , представляют собой двойные астероиды с двумя компонентами сравнимого размера.
Спутник Нептуна Протей — крупнейший естественный спутник неправильной формы; формы луны Эриды Дисномии и луны Оркуса Вант неизвестны. Все другие известные естественные спутники размером не менее Миранды Урана превратились в округлые эллипсоиды в условиях гидростатического равновесия , т.е. являются «круглыми/округлыми спутниками» и иногда классифицируются как спутники планетарной массы . (Известно, что плотность Дисномии достаточно высока, поэтому она, вероятно, также представляет собой сплошной эллипсоид.) Более крупные естественные спутники, будучи заблокированными приливами, имеют тенденцию к овоидной (яйцеобразной) форме: приземистые на полюсах и с более длинными экваториальными осями в направлении их праймериз (их планет), чем в направлении их движения. Спутник Сатурна Мимас , например, имеет большую ось на 9% больше, чем его полярная ось, и на 5% больше, чем его другая экваториальная ось. Мефона , еще один спутник Сатурна, имеет диаметр всего около 3 км и имеет явно яйцевидную форму . Эффект меньше на крупнейших естественных спутниках, где их собственная гравитация выше по сравнению с эффектами приливных искажений, особенно на тех, которые вращаются вокруг менее массивных планет или, как в случае с Луной, на больших расстояниях.
Из двадцати известных естественных спутников Солнечной системы, которые достаточно велики, чтобы их можно было округлить под действием гравитации, несколько остаются геологически активными и сегодня. Ио — самое вулканически активное тело в Солнечной системе, тогда как Европа , Энцелад , Титан и Тритон демонстрируют свидетельства продолжающейся тектонической активности и криовулканизма . В первых трех случаях геологическая активность вызвана приливным нагревом , возникающим из-за эксцентрических орбит , близких к основным планетам-гигантам. (Этот механизм также действовал бы на Тритоне в прошлом, до того, как его орбита стала круглой .) Многие другие естественные спутники, такие как Луна Земли, Ганимед , Тефия и Миранда, демонстрируют свидетельства прошлой геологической активности, возникшей в результате источников энергии, таких как распад их первичных радиоизотопов , больший эксцентриситет прошлых орбит (в некоторых случаях из-за прошлых орбитальных резонансов ) или дифференциация или замораживание их внутренностей. Энцелад и Тритон имеют активные функции, напоминающие гейзеры , хотя в случае с Тритоном энергию, по-видимому, обеспечивает солнечное отопление. Титан и Тритон имеют значительную атмосферу; На Титане также есть углеводородные озера . Также на Ио и Каллисто есть атмосфера, хотя она и очень тонкая. [29] Считается , что четыре крупнейших естественных спутника Европы, Ганимеда, Каллисто и Титана имеют подземные океаны жидкой воды, в то время как меньший Энцелад может иметь локализованную подповерхностную жидкую воду.
Помимо планет и карликовых планет, в нашей Солнечной системе известно, что у объектов, имеющих естественные спутники, 76 объектов в поясе астероидов (пять по два спутника каждый), четыре трояна Юпитера , 39 околоземных объектов (два по два спутника каждый) и 14 кораблей, пересекших Марс. . [2] Также известно 84 естественных спутника транснептуновых объектов . [2] В кольцах Сатурна наблюдалось еще около 150 малых тел , но лишь некоторые из них отслеживались достаточно долго, чтобы установить орбиты. Планеты вокруг других звезд, вероятно, также имеют спутники, и хотя на сегодняшний день обнаружено множество кандидатов, ни один из них еще не подтвержден.
Из внутренних планет Меркурий и Венера не имеют естественных спутников; У Земли есть один большой естественный спутник, известный как Луна; У Марса есть два крошечных естественных спутника: Фобос и Деймос . Планеты -гиганты имеют обширные системы естественных спутников, в том числе полдюжины сопоставимых по размеру с Луной Земли: четыре галилеевых спутника , Титан Сатурна и Тритон Нептуна . У Сатурна есть еще шесть естественных спутников среднего размера, достаточно массивных, чтобы достичь гидростатического равновесия , а у Урана — пять. Было высказано предположение, что некоторые спутники потенциально могут содержать жизнь . [30]
Среди объектов, которые астрономы обычно считают карликовыми планетами, Церера и Седна не имеют известных естественных спутников. У Плутона есть относительно большой естественный спутник Харон и четыре естественных спутника меньшего размера; Стикс , Никс , Керберос и Гидра . [31] У Хаумеа есть два естественных спутника; У Оркуса , Квавара , Макемаке , Гонгонга и Эрис есть по одному. Система Плутон-Харон необычна тем, что центр масс находится в открытом пространстве между ними, что иногда ассоциируется с системой двух планет .
Семью крупнейшими естественными спутниками Солнечной системы (размером более 2500 км) являются галилеевы спутники Юпитера (Ганимед, Каллисто , Ио и Европа ), спутник Сатурна Титан, спутник Земли и захваченный естественный спутник Нептуна Тритон. Тритон, самый маленький из них, имеет большую массу, чем все меньшие естественные спутники вместе взятые. Точно так же в следующей группе размеров из девяти естественных спутников среднего размера, между 1000 и 1600 км в поперечнике, Титания , Оберон , Рея , Япет , Харон, Ариэль , Умбриэль , Диона и Тефия, самый маленький из них, Тефия, имеет большую массу, чем все меньшие естественные спутники вместе. Помимо естественных спутников различных планет, известно более 80 естественных спутников карликовых планет , малых планет и других малых тел Солнечной системы . По оценкам некоторых исследований, до 15% всех транснептуновых объектов могут иметь спутники.
Ниже приводится сравнительная таблица, классифицирующая естественные спутники Солнечной системы по диаметру. В столбце справа приведены некоторые известные планеты, карликовые планеты, астероиды и транснептуновые объекты для сравнения. Естественные спутники планет названы в честь мифологических персонажей. Это преимущественно греческие спутники, за исключением естественных спутников Урана , названных в честь шекспировских персонажей. Двадцать спутников, достаточно массивных, чтобы быть круглыми, в таблице ниже выделены жирным шрифтом. Малые планеты и спутники, по поводу округлости которых в литературе существуют разногласия, в таблице ниже выделены курсивом.