[論文レビュー] Formation of irregular and runaway moons/exomoons through moon-moon scattering

Hagai B. Perets, Matthew J. Payne|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

Astro and Planetary Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ガス円盤の後における衛星系における月同士の散乱が、規則的な衛星を高離心率・高軌道傾きの軌道に動的に励起し、準正方向の不規則衛星およびランウェイ衛星を生成することを提案する。N体シミュレーションにより、質量の大きな月が一般的に脱出され、1〜4体の生存者が残り、その軌道は不規則なものとなることが示された。一方、小規模な月の大部分は、惑星に衝突する前に一時的に逆行軌道に再捕獲される。

ABSTRACT

Gas giant planets in the Solar system host large satellite systems with multiple regular and irregular moons. Regular moons revolve around their host planet in circular, low inclination short period orbits, and are thought to form in-situ through coagulation processes. In contrast, irregular moons have highly inclined (and even retrograde), typically eccentric and long period orbits around their host planet. Irregular moons are therefore often thought to be unbound objects in helio-centric orbits that were later captured to their current orbits around the planet. Here we study the a different possibility in which regular moons form in-situ, and dynamically evolve through mutual moon-moon scattering. We find that such evolution can excite the satellites into high eccentricities and inclinations. We find that moons are either ejected from the host planet to become runaway moons, or stay bound and become prograde orbiting irregular moons with inclined and eccentric orbits around their host planet. Ejected moons, unbound to the planet, can later be temporarily re-captured by the host planet even at retrograde orbits. Such moons are eventually re-ejected from the system or collide with the planet, at least in the absence of dissipative processes (e.g. collisions with existing bound moons, a debris disk or through tidal interactions with the host planet), not currently modeled. Uncaptured runaway moons may eventually be ejected from the Solar system, or be captured into stable helio-centric orbits and contribute to the populations of asteroidal or trans-Neptunian objects. Such scenarios are potentially relevant both for the gas-giant satellites in the Solar system and for the dynamical evolution of exomoons.

研究の動機と目的

• 太陽系および系外衛星における不規則衛星の起源を、月同士の重力的散乱が説明できるかどうかを調査すること。
• 気体の周惑星円盤の消滅後の、多数の衛星系の動的進化を調査すること。
• このような散乱が、一時的に捕獲されたランウェイ衛星も含めた準正方向および逆行方向の不規則衛星を生成できるかどうかを検討すること。
• 潮汐相互作用などの散乱的過程が、そうでない場合に不安定な逆行衛星を安定化させ得る可能性を評価すること。
• 月の脱出が、小惑星や海王星外天体などの小天体集団に与える影響を検討すること。

提案手法

• 気体円盤の消滅に続く、初期質量および軌道配置が異なる多数の衛星系のN体シミュレーションを実施する。
• 高精度の軌道積分器を用いて、月同士の重力的散乱を直接数値積分でモデル化する。
• 低質量の小衛星を表す質量なしの粒子を導入し、その軌道進化と脱出を追跡する。
• 生存した月および脱出月の軌道パラメータ（離心率、軌道傾き、長半径）を分析し、それらを規則的、不規則的、ランウェイに分類する。
• 脱出月が母惑星によって一時的に再捕獲されるシナリオをシミュレートし、逆行捕獲率を評価する。
• シミュレーションの結果を、観測された不規則衛星の性質（例：軌道傾き、離心率）および小天体集団の性質と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月同士の散乱のみで、準正方向不規則衛星に観測される高軌道傾き・高離心率軌道が生成可能か？
• RQ2 脱出後に小規模な月がどれくらいの割合で一時的に逆行軌道に再捕獲されるか、またその条件は何か？
• RQ3 最終的な衛星系の構造（生存数、軌道パラメータ）は、月の質量や間隔といった初期条件にどのように依存するか？
• RQ4 太陽系では質量の大きな逆行不規則衛星が観測されていないが、これは散乱的過程がその理由を説明できるのか？
• RQ5 母惑星から脱出した月が、小惑星や海王星外天体などの背景集団に組み込まれる可能性はあるか？

主な発見

• 小規模な月の50％以上がシステムから脱出され、そのうち約5〜10％が惑星に衝突する前に一時的に逆行軌道に再捕獲される。
• 生存する質量の大きな月は通常、高い離心率と軌道傾きを示し、観測された準正方向不規則衛星の軌道的特徴と一致する。
• 生存月の数は通常1〜4体であり、初期数にかかわらず同様の結果を示す。これは、複数惑星系における惑星同士の散乱と類似した結果である。
• 散乱的過程が存在しない場合、質量の大きな月は安定な逆行軌道に到達しない。これは、長期的安定性のためにはこのような過程が必要である可能性を示唆する。
• 脱出月は一時的に母惑星に捕獲されるか、または太陽周回軌道に捕獲される可能性があり、小惑星や海王星外天体などの小天体集団に貢献する可能性がある。
• このメカニズムは、初期条件が微調整された必要のない従来の捕獲モデルに対する説得力ある代替案を提供する。