小石の付着と移動によるガリレオ衛星系の構築：原始的な共鳴連鎖

小石の付着と移動によるガリレオ衛星システムの構築：原始的な共鳴連鎖
2021年4月6日に提出
ガリレオ衛星の起源、つまりイオ、エウロパ、ガニメデ、カリストはまだ完全には理解されていません。ここでは、N体数値シミュレーションを使用して、木星周辺のガス状周惑星円盤におけるガリレオ衛星の形成を研究します。私たちのモデルには、ペブル集積、ガス駆動の移動、およびガスの潮汐減衰と抗力の影響が含まれています。私たちのシミュレーションのサテライトシミュレーションは、最初にペブル集積を介して成長し、内側に移動し始めます。それらがディスクの内側の端にあるトラップに到達すると、散乱イベントと衝突が発生し、さらなる成長を促進します。成長する衛星は、最終的にディスクの内側の端に固定されたマルチレゾナント構成に到達します。ガリレオ衛星の質量との最適な一致は、統合された小石フラックスが1e-3MJであるシミュレーションで生成されます。これらのシミュレーションは通常、3〜5個の衛星を生成します。私たちの最高の類似物では、隣接する衛星ペアはすべて2：1の平均運動共鳴でロックされています。ただし、現在の実際の衛星とは異なり、離心率は適度に偏心しています（0.1）。ガリレオ衛星システムは、TRAPPIST-1、Kepler-223、TOI-178などの太陽系外惑星システムと同様の原始的な共鳴チェーンであることを提案します。カリストはおそらく過去にガニメデと共鳴していたが、潮汐惑星と衛星の相互作用による発散移動を介して、ラプラシアン共鳴を壊すことなく、この構成を残した。これらの同じ効果により、これらの衛星の軌道離心率は現在の値（0.001）までさらに減衰しました。私たちの結果は、イオとエウロパが水と氷が豊富な組成で生まれ、その後すべて/ほとんどの水を失ったという仮説を支持しています。ガリレオ衛星の原始組成に対するより厳しい制約は、形成モデルを区別するために重要です。

図1.（a）CPDアスペクト比（ℎ𝑔=𝐻𝑔/𝑟、実線）およびケプラー速度で正規化された垂直方向に平均化されたガス視線速度（𝑣𝑟/𝑣𝑘、点線）
ライン）; （b）小石の面密度（実線）とストークス数（点線）
惑星までの距離の関数として。 各色は異なる時間を示しています：
0 Myr（黒）、0.5 Myr（青）、1.0 Myr（緑）、および2.0 Myr（オレンジ）。 （c）
さまざまな衛星質量とストークス数に対する2Dおよび3Dペブル集積レジームのしきい値曲線。 異なる色の線はに対応します
ディスクのさまざまな場所：5 RJ（赤）、20 RJ（灰色）、50 RJ（紺）、
および100RJ（紫）。 各曲線の上（下）の領域が対応します
3D（2D）降着効率が2Dよりも高い領域へ
（3D）1つ（式53を参照）。 初期の小石フラックスはM⁄ p0 = 1.5×10−9MJ /年です。ザ・
時間の経過に伴う統合された小石フラックスは10-3MJです。


図2.上から下へ：軌道長半径の進化、軌道
シミュレーション開始時の衛星シミュレーションの離心率、傾斜、および質量
4つの微衛星とMp0 = 10＾−9 MJ/年。 微衛星は最初に成長します
小石の付着を介して、内側に移動します。 彼らがの内縁に達したとき
ディスクは約5RJにあります
、最も内側の衛星ペアは約1.2Myrで衝突します
最終衛星が3つしかない衛星系を形成します。
上部のパネルの青い一点鎖線は、ディスク内の雪線の位置の変化を示しています。


図3.最終期間の比率と移行のタイムスケールの相関関係
それらの質量類似体を持つ2つの衛星のみを考慮したシミュレーション
イオとエウロパの。 黒い点は数値の結果を表しています
シミュレーション、および水平線は、
3：2 MMR（黒い線）と2：1 MMR（赤い線）にキャプチャします。 実線
Ogihara＆Kobayashi（2013）と
破線は、Goldreich＆Schlichtingによって与えられた重要なタイムスケールを示しています
（2014a）。 約130年より短い移行タイムスケールは傾向があることがわかりました
衛星の動的な不安定性と衝突につながる。


図4.異なる初期数の衛星シミュレーションと小石フラックスで始まるシミュレーションで生成された最終的な衛星システム。左右のサイドパネル
それぞれ30と50の衛星シミュレーションから始まるシミュレーションの結果を示します。パネルには、上から下に、さまざまなシミュレーションの結果が表示されます。
小石フラックス：a）およびb）Mp0 = 5×10＾−9 MJ/年、c）およびd）Mp0 = 3×10＾−9 MJ/年、e）およびf）Mp0 = 1.5×10＾−9 MJ/ yr、およびg）およびh）Mp0 = 10＾−9 MJ/年。
台詞
異なるポイント（シンボル）を接続すると、同じシステム内の衛星が表示されます。 2つ（緑の一点鎖線）、3つ（赤の一点鎖線）、
各パネルの上部には、4つ（青い一点鎖線）と5つの衛星（オレンジ色の一点鎖線）が表示されます。黒い実線は実際のガリレイシステムを示しています。水平
ピンクの線は0.8MEと1.2MGに対応します（制約iii）を参照）。衛星の位置を1のオーダーの係数で再スケーリングして作成したことに注意してください
イオから木星までの距離（𝑎in）に対応する、各シミュレーションの最も内側の衛星の位置。


図5.隣接する衛星ペアの周期比分布。 各パネルには、10回のシミュレーションの結果が表示されます。 左側と右側のパネルは、の結果を示しています
それぞれ30と50の衛星シミュレーションから始まるシミュレーション。 パネルは上から下に、さまざまな小石フラックスを使用したシミュレーションの結果を示しています。
およびb）Mp0 = 5×10＾−9 MJ/年、c）およびd）Mp0 = 3×10＾−9 MJ/年、e）およびf）Mp0 = 1.5×10＾−9 MJ/ yr、およびg）およびh）Mp0 = 10＾−9 MJ/年。


図6.ベストケースシミュレーションで生成された衛星の最終質量と準主軸。 いずれの場合も、4つの衛星のみが形成されます。 プレゼンテーション用
目的のために、衛星の位置を次数の係数で再スケーリングしました
私たちのシミュレーションで最も内側の衛星の位置を作るための団結の
イオから木星までの距離と一致します（𝑎in）。 本当のガリレイシステム
は円の付いた黒い線で示され、縦の点線は
8：4：2：1共振チェーンの位置とピンクの垂直線は、
3番目の制約（0.8MEおよび1.2MG）の質量の制限。 私たちの最終的なシステム
放射状の質量ランキングを表示しません。 緑の実線で表されるシステム
は、3番目に内側の衛星との共軌道衛星を示しています。


図7.下から下へ：次のシミュレーションでの半主軸、軌道離心率、軌道傾斜角、衛星の質量の進化
Mp0 = 1.5×10＾−9 MJ/年および50の微衛星から始まります。 一点鎖線
上部パネルの線は雪線の位置を示し、水平線は
下のパネルは、実際のガリレオ衛星の質量を示しています。 これらの水平
線は類似体の色と一致して、それらが持つべき質量を示します
完璧にマッチすること。 すべての衛星ペアは2：1MMRで進化します。


図8.上から下へ：軌道長半径の時間的進化、シミュレーションにおける軌道離心率、傾斜、および衛星シミュレーションの質量
50の微衛星から始まります。 ディスクが冷えると、雪線が移動します
上部パネルの青い点線で示されているように、内側に向かっています。 水平線
下のパネルには、実際のガリレオ衛星の質量が表示されています。 これら
水平線は類似体の色と一致し、それらの質量を示します
完全に一致する必要があります。 すべての衛星隣接ペアが関与しています
2：1 MMR、共振チェーンを形成します。 ガスディスクは2Myrで消散します
システムは最大10Myrまで動的に安定しています。


図9.を使用したシミュレーションでの最終衛星の離心率分布
Mp0 = 1.5×10＾−9 MJ/年および50のsatellitesimals。 青い曲線は
ガスディスクフェーズ中にディスク温度が一定に保たれる場合。
赤い線は、ディスクの温度が指数関数的に減衰する場合を示しています
時間内に（式56を参照）。


図10.ガスディスクフェーズ（2 Myr）の終わりのガリレイシステム類似体。 各線は、シミュレーションで作成された衛星システムを示しています。 個人
衛星は色分けされたドットで表されます。 ドットのサイズは衛星の質量に比例して変化し、色はその水と氷の割合を表します。 横軸
は衛星の軌道の軌道長半径を示しています。 軌道離心率は、地動説の距離の変化を示す水平の赤いバーで表されます。
準主軸（𝑅J）。 ここに示されている3つのシステムは、図6にも示されています。