Mesiac (družica)

Slovo mesiac s malým počiatočným písmenom alebo zastarano trabant je prirodzená družica (prirodzený satelit) planéty, trpasličej planéty alebo planétky. Najznámejšie a prvé objavené mesiace sú družice planét slnečnej sústavy. Existencia mesiacov mimo slnečnej sústavy nie je definitívne potvrdená.
V slnečnej sústave je známych už viac než 695 mesiacov, z ktorých väčšina (463) nesprevádza planéty, ale menšie telesá slnečnej sústavy. 285 mesiacov pripadá k 31. decembru 2023 na mesiace planét. Tieto počty však nie sú konečné, pretože sa neustále objavujú nové mesiace. Prvé objavené mesiace, ktoré obiehali inú planétu ako Zem, boli Galileove mesiace obiehajúce Jupiter. Za ich objaviteľa sa považuje Galileo Galilei, ktorý ich ďalekohľadom spozoroval v roku 1610. Jupiter bol do jari 2023 tiež teleso slnečnej sústavy s najväčším známym počtom mesiacov - 95, ale ku koncu tohto roka už bolo známe, že Saturn ho prevyšuje až o desiatky mesiacov.
Mesiace má šesť z ôsmich známych planét slnečnej sústavy: Zem, Mars, Jupiter, Saturn, Urán a Neptún. Zem má ako jediná z nich iba jeden mesiac, nazýva sa Mesiac. Mars má dva mesiace, veľké (joviálne) planéty majú až niekoľko desiatok mesiacov (Saturn 146, Urán 27 a Neptún 14). Prvý objavený mesiac, ktorý neobiehal okolo planéty, bol mesiačik Dactyl obiehajúci planétku 243 Ida. Mesiace sú rôznorodé telesá, väčšinou nepravidelného tvaru, bez atmosféry a geologicky neaktívne, existuje však mnoho výnimiek. Vždy však majú menší priemer a hmotnosť než teleso, okolo ktorého obiehajú.
Mesiace v slnečnej sústave.
Všeobecná charakteristika.
Mesiace sú telesá rôzneho tvaru a veľkosti, spravidla menšie ako planéty. Existujú však aj výnimky: najväčší mesiac slnečnej sústavy Jupiterov Ganymede a Saturnov mesiac Titan sú väčšie ako planéta Merkúr. Najväčšie mesiace sformovala gravitácia do tvaru blízkeho guli. Menšie môžu mať nepravidelný tvar a podobať sa asteroidom alebo jadrám komét. Je možné, že mnohé malé mesiace boli skutočne planétkami, ktoré pri pohybe slnečnou sústavou zachytila gravitácia nejakej planéty. Mnohé mesiace (vrátane Mesiaca) majú viazanú rotáciu, to znamená, že k svojej planéte sú otočené stále tou istou stranou. Blízko obiehajúce veľké mesiace môžu na svojej planéte spôsobiť zatmenie Slnka.
Aj trpasličie planéty a asteroidy môžu mať vlastné mesiace. S výnimkou Chárona majú všetky doposiaľ preskúmané mesiace malých telies nepravidelný tvar.
Obežná dráha.
Väčšina mesiacov obieha po veľkých, eliptických dráhach s veľkým sklonom k rovníku materskej planéty. Tento jav je charakteristický najmä pre menšie mesiace nepravidelného tvaru. Väčšina z nich má tiež retrográdny smer obehu (napríklad mesiac Féba). Ostatné, spravidla veľké mesiace, akým je napríklad aj náš Mesiac, obiehajú prográdnym smerom po približne kruhových blízkych dráhach s malým sklonom k rovine rovníka.
Retrográdny smer obehu malých mesiacov naznačuje, že tieto mesiace nevznikli v blízkosti planéty, okolo ktorej obiehajú, ale táto planéta ich neskôr gravitačne pripútala k sebe. Predtým však museli stratiť veľkú časť svojej pohybovej energie. K tomu mohlo dôjsť v poslednom štádiu formovania planét, trením v protoplanetárnom disku. Štandardné teórie však zatiaľ presvedčivo nevysvetlili pôvod a správanie sa týchto mesiacov.
Mesiace nemôžu obiehať planétu v ľubovoľnej vzdialenosti, ale len vo vnútri takzvanej Hillovej sféry. Je to oblasť okolo planéty, v ktorej je pohyb častíc viac ovládaný gravitáciou planéty ako gravitáciou Slnka. Polomer Hillovej sféry závisí od hmotnosti planéty a tiež od jej vzdialenosti od Slnka.
Viaceré mesiace môžu obiehať aj po tej istej obežnej dráhe, napríklad Saturnove mesiace Tetyda, Telesto a Kalypso obiehajú po rovnakej orbite. Takéto mesiace sa nazývajú koorbitálne. Dva mesiace si svoje obežné dráhy môžu dokonca navzájom vymeniť – príkladom sú opäť Saturnove obežnice, Epimeteus a Jánus.
Hoci väčšina známych mesiacov má stabilnú obežnú dráhu a predpokladáme, že na nej zotrvávajú počas veľmi dlhého časového obdobia, v roku 2006 bol objavený mesiac Zeme 2006 RH120, ktorý na obežnej dráhe okolo nej zotrval iba rok. Potom sa odpútal a pokračoval v samostatnej dráhe. Takýchto dočasných mesiacov by mohla mať Zem aj ďalšie planéty oveľa viac, no pre malé rozmery (2006 RH120 meral iba pár metrov) sa ťažko hľadajú.
Planéty sú spravidla približne 1000-krát hmotnejšie než ich prirodzené satelity. Preto majú všetky mesiace planét ťažisko vzájomného obehu so svojou planétou pod povrchom planéty. U družíc menších telies to niekedy tak nie je. V takom prípade sa sústava telies obiehajúcich spoločné ťažisko zvykne nazývať dvojplanétkou, trojplanétkou, atď.
Atmosféra.
Vzhľadom na fakt, že sú mesiace pomerne malé, majú aj nízku gravitáciu, a preto nie sú schopné udržať si hustú atmosféru. Výnimku tvorí opäť Titan, mesiac s najhustejšou atmosférou v slnečnej sústave, ktorého atmosférický tlak je až 1 600 hPa. Všetky veľké guľaté mesiace plynných obrov sú obklopené aspoň riedkou atmosférou, menšie guľaté a nepravidelné mesiace však už nemajú merateľný atmosférický tlak. Mesiace so sopečnou aktivitou svoju atmosféru neustále dopĺňajú chemickými prvkami zo svojho vnútra, ktoré však postupne unikajú do okolitého priestoru.
Teplota.
Vzhľadom na to, že mesiace majú len planéty a iné telesá vzdialenejšie od Slnka ako je Venuša, ich povrchové teploty bývajú spravidla veľmi nízke. Výnimku tvorí len vulkanický Jupiterov mesiac Io. Na jeho povrchu v blízkosti vulkánov dosahujú teploty 1 230 °C, čo sú najvyššie namerané teploty na povrchu pevného telesa v slnečnej sústave. Na iných častiach mesiaca, ďaleko od vulkánov, však povrchové teploty klesajú až na −153 °C. Najvyššiu priemernú povrchovú teplotu, −20 °C, má Mesiac a vďačí za to svojej blízkosti k Slnku. Je to však len priemerná teplota – cez deň stúpajú teploty na jeho povrchu až na 110 °C, v noci klesajú na hodnoty −230 °C. Rozdiely medzi dennými a nočnými teplotami mesiacov sú veľké, pretože majú zvyčajne riedku atmosféru, alebo sú bez atmosféry (napríklad Mesiac) a neobsahujú na svojich povrchoch ani kvapalnú vodu, ktorej veľká tepelná kapacita dokáže teplotné rozdiely vyrovnávať.
Povrch.
Väčšina mesiacov sa sformovala veľmi ďaleko od Slnka, preto sú ich dôležitou zložkou ľady. Ide nielen o vodný ľad, ale aj zamrznutý oxid uhoľnatý, oxid uhličitý, metán, amoniak a molekulárny dusík. Povrch iných mesiacov, napríklad dvojice mesiacov Marsu či Saturnovho mesiaca Féba, má zloženie ako uhlíkaté chondrity.
Mesiace majú veľmi rôznorodý povrch. Zloženie povrchu závisí od jeho minulosti a tiež prípadnej sopečnej aktivity. Povrch mesiacov je tvorený horninami alebo ľadom. Obsahuje veľké množstvo dopadových kráterov. Krátery bývajú pre mesiace charakteristické, pretože na väčšine z nich neexistuje nijaká činnosť (erózia, sopky…) ktorá by ich mohla zahladiť. Ďalej sa na povrchoch mesiacov nachádzajú pohoria, zlomy, ryhy a roviny s väčšími výškovými rozdielmi, aké bývajú na planétach. Zdrojom energie pre geologickú aktivitu a vznik týchto útvarov mohlo byť v minulosti bombardovanie planétkami, ktoré mesiace zahrievalo. Ďalšími zdrojmi energie pre mesiace sú rádioaktívny rozpad, najmä uránu, tória a draslíka, a slapové sily.
Existujú aj zvláštne povrchové útvary, ktoré neboli pozorované na nijakých iných typoch telies. Mesiac Zeme má napríklad mesačné moria – tmavé plochy tvorené bazaltovou lávou. Povrch Jupiterovho mesiaca Európa je zase pokrytý hrubou vrstvou vodného ľadu, pod ktorou sa môže nachádzať kvapalná voda. Vodný ľad obsahujú vo svojej kôre aj mesiace Ganymede a Kalisto a tiež Saturnov mesiac Enceladus. Na Titane boli zase zistené rieky, jazerá a moria z uhľovodíkov. Ide doposiaľ o jediné pomerne stabilné kvapalné útvary, aké boli kedy na povrchu mesiaca nájdené.
Sopečná aktivita.
Z dôvodu, že mesiace sú pomerne malé telesá, nedokázali si udržať veľké vnútorné teplo od čias svojho vzniku. Všetka súčasná sopečná a geologická aktivita na mesiacoch je pravdepodobne následkom slapových síl ich materských planét. Výnimku zrejme predstavuje len doteraz nevysvetlená geologická aktivita na mesiaci Cháron, ktorá nemôže byť spôsobená slapovými silami materskej trpasličej planéty. Slapové sily vytvárajú pod kôrou blízko obiehajúcich mesiacov trenie, vďaka čomu sa ich vnútro zahrieva. Medzi najznámejšie vulkanicky aktívne mesiace patrí Io. Na jeho povrchu sa nachádza viac než 80 aktívnych oblastí a viac než 300 sopiek. Jeho povrch neustále pretvárajú sopečné výbuchy. Ďalšie vulkanicky aktívne mesiace sú Saturnov Enceladus a Neptúnov Tritón, tieto telesá však nevyvrhujú na svoj povrch lávu, ale vodu. Tento jav sa nazýva kryovulkanizmus. Nie sú výnimočné ani prenosy hmoty z jedného mesiaca na druhý, napríklad Jupiterova Amaltea má na povrchu výrazne červené sfarbenie, čo sa vysvetľuje ako tenká vrstva síry, ktorá bola vyvrhnutá z vulkanického Io. Mesiace môžu odovzdávať svoju hmotu aj prstencom. Najvýraznejším príkladom tohto procesu je Saturnov mesiac Enceladus, ktorého častice vyvrhnuté kryovulkanickou aktivitou vytvárajú prstenec E. Častice z Enceladu dopadajú aj na jeho materskú planétu. Takéto obohacovanie atmosféry planéty vodnou parou jej mesiaca je jav, ktorý nikde inde v slnečnej sústave nebol pozorovaný.
Názvy mesiacov.
Pomenovania mesiacov majú väčšinou vzťah k planéte, ktorú obiehajú. Napríklad mesiace Jupitera, okrem Ganymeda a Amaltey, sa nazývajú podľa mileniek boha Dia (v rímskej mytológii Jupitera). Mesiace Saturna majú zase mená rôznych titanov a titaniek, keďže aj boh Kronos (v rímskej mytológii Saturn) bol jedným z titanov. Mesiace Neptúna sa zase volajú podľa rôznych morských božstiev, pretože Neptún bol boh mora. Mesiace Marsa sa nazývajú podľa dvoch synov boha Area (Marsa): Foba a Deima. Najväčší mesiac Pluta, Cháron, dostal meno po prievozníkovi cez rieku Styx, ktorá bola vstupom do podsvetia, ktorému vládol boh Hádes (Pluto). Jeho ďalšie mesiace, Nix a Hydra sa nazývajú podľa neobľúbených temných božstiev, medzi ktoré patril aj sám Hádes. Výnimku v názvosloví tvoria len mesiace planéty Urán, ktoré sa nenazývajú podľa postáv mytológie, ale podľa postáv z hier Williama Shakespeara.
Vznik mesiacov.
Mesiace sú dosť rozmanité, a preto je pravdepodobné, že majú aj rôzny pôvod. Aj mesiace jednej planéty môžu byť rôzneho pôvodu. Teórie o ich vzniku sú však stále neisté, pretože parametre dráh týchto telies sú známe len s malou presnosťou, a preto je možné ich polohy vypočítať nanajvýš 100 miliónov rokov do minulosti, čo je len zlomok veku slnečnej sústavy. U veľkých mesiacov joviálnych planét sa predpokladá, že sa sformovali z pôvodného protoplanetárneho disku podobným procesom ako planéty. Predpokladá sa, že zárodky veľkých planét boli obklopené samostatnými hmlovinami v tvare disku. Z tohto disku sa naberaním hmoty a zmršťovaním utvorili mesiace. Tento scenár vzniku podporuje aj chemické zloženie mesiacov. Jupiter sa počas svojho vzniku na krátku dobu zahrial až na 4 000 °C, čo spôsobilo odparenie vody vo vnútorných častiach jeho zárodočného disku. Preto najbližšie mesiace Jupitera vodu neobsahujú a sú zložené len z látok, ktoré sa ťažko vyparujú. U ostatných troch veľkých planét – Saturna, Urána a Neptúna – však teplota ich diskov nedosahovala už také vysoké hodnoty, a preto sú aj ich najbližšie obiehajúce družice zložené čiastočne z ľadu.
Niektoré mesiace však môžu byť zachytené asteroidy alebo kométy, ktoré vznikli veľmi ďaleko od planéty. Na obežnú dráhu ich zachytila planéta svojou gravitáciou ako hotové telesá až neskôr po ukončení formovania slnečnej sústavy. Tomu zodpovedá sklon a výstrednosť ich dráh. Príkladom pravdepodobne zachyteného mesiaca je Neptúnov Tritón, ktorý obieha planétu v protismere jej rotácie. Je tiež možné, že niektoré malé mesiace sú zvyšky pôvodne väčších telies, ktoré sa zrazili a roztrieštili.
Vznik Mesiaca.
Pôvod Mesiaca Zeme dlho nebol známy. Mesiac dosahuje asi 1/81 hmotnosti Zeme, teda tvorí oveľa väčší zlomok hmotnosti svojej planéty ako mesiace iných planét. Podľa teórie publikovanej v roku 1984 je Mesiac dôsledkom obrovskej zrážky Zeme s telesom s rozmermi Marsu v raných štádiách jej vývoja. Zrážka vymrštila na obežnú dráhu Zeme obrovské množstvo roztavených hornín pochádzajúcich z oboch telies. Horniny utvorili prstenec z horúceho materiálu, z ktorého sa sformoval Mesiac v pôvodnej vzdialenosti asi 20 000 kilometrov od Zeme. Odvtedy sa od Zeme pomaly vzďaľoval a jeho vzďaľovanie pokračuje aj v súčasnosti.
Gravitačné vplyvy.
Mesiace gravitačne vplývajú na telesá vo svojom okolí: na iné mesiace, prstence aj materskú planétu. Vplyv mesiaca na mesiac sa prejavuje napríklad vo forme utvorenia dráhovej rezonancie, v ktorej sú napríklad dvojice Enceladus a Diona (Saturn), Ganymede a Európa (Jupiter) a ďalšie. Dráhová rezonancia medzi mesiacmi jednej planéty navzájom je silnejšia ako medzi planétami slnečnej sústavy, pretože sú k sebe navzájom relatívne bližšie. Mesiace Epimeteus a Jánus si dokonca vymieňajú svoje obežné dráhy. Často formujú a udržiavajú prstence a medzery v prstencoch (napr. mesiac Pan udržiava Enckeho medzeru v prstencoch Saturna).
Mesiace veľmi hmotné v pomere k materskej planéte (najhmotnejší v pomere k planéte je Mesiac Zeme) majú ťažisko ich vzájomného obehu s planétou blízko povrchu planéty. Tým spôsobujú planéte nezanedbateľné pohyby na ich obežnej dráhe okolo hviezdy. Výrazné sú tiež ich slapové účinky. Ďalším prejavom je nutácia osi planéty.
U Saturnovho mesiaca Rea existujú dokonca dôkazy o tom, že by mohla mať okolo seba prstenec podobne ako planéty.
História pozorovaní.
Prvé mesiace iných telies bolo možné objaviť len po objave ďalekohľadu, pretože voľným okom nie sú viditeľné. Vzhľadom na všeobecne uznávaný geocentrický systém v dobách pred objavom ďalekohľadu sa nepredpokladalo, že by mohli existovať prirodzené obežnice iných telies. Prvý záznam o pozorovaní iných mesiacov ako Mesiaca urobil Galileo Galilei v roku 1610, ktorý sa pokladá za objaviteľa štyroch najväčších mesiacov Jupitera. 
Pár rokov po jeho objave urobil Johannes Kepler prvú predpoveď existencie neobjavených mesiacov. Vyslovil domnienku, že Mars má dva mesiace. Jeho argument v prospech tohto tvrdenia však bol iba číselný - ak má Zem jeden mesiac a Jupiter podľa vtedajších poznatkov štyri, potom Mars nachádzajúci sa medzi nimi by mal mať dva. O dvoch mesiacoch Marsu sa v roku 1726 zmieňuje aj Jonathan Swift vo svojej fikcii Guliverove cesty. Obe predpovede počtu mesiacov Marsu sa však s pravdou zhodovali iba náhodne.
Niekoľko desaťročí po objave prvých Jupiterových mesiacov nasledoval objav najväčších Saturnových mesiacov, počnúc Titanom (objaviteľ Christiaan Huygens). Hoci už Galileo Galilei sa domnieval, že videl dva obrovské mesiace Saturna, v skutočnosti išlo o jeho prstence neostro zobrazené jeho nedokonalým ďalekohľadom. Nasledoval objav dvoch najväčších mesiacov Uránu, len šesť rokov po objave samotného Uránu, a to rovnakým objaviteľomm, ktorý objavil aj samotnú planétu - Williamom Herschelom. V roku 1846 prišiel objav najväčšieho mesiaca Neptúna, a až za ním objav dvoch malých mesiacov Marsu. Od roku 1980 sa k objaviteľom mesiacov pridávajú aj kozmické sondy.
Výskum zblízka.
Do začiatkov kozmonautiky ľudstvo nevedelo nič o povrchoch mesiacov okrem nášho. Jedine na povrchu Mesiaca bolo možné vtedajšími ďalekohľadmi rozpoznávať štruktúry. Ostatné mesiace sa v prístrojoch javili len ako bodové zdroje odrazeného svetla a mnohé malé mesiace nebolo možné pozorovať vôbec. Kozmické sondy sa tak pričinili nielen o rozšírenie poznatkov o mesiacoch objavených zo Zeme, ale aj o objavy mnohých dovtedy neznámych malých mesiacov.
Prvým cieľom prieskumu nejakého mesiaca kozmickými sondami sa stal, prirodzene, Mesiac Zeme. Sonda Luna 2 ho v roku 1959 ako prvá zasiahla a sonda Luna 3 ako prvá poslala snímky jeho odvrátenej strany. Prvá sonda, ktorá mäkko pristála na povrchu Mesiaca, bola Luna 9. Mesiac Zeme je tiež jediným mesiacom skúmaným sondami z jeho obežnej dráhy a dokonca ľudskou posádkou z povrchu. Jediným ďalším mesiacom, na ktorom kedy pristálo človekom vyrobené teleso, je Titan, ktorý dosiahla v roku 2005 sonda Huygens.
Až po pristátí prvých ľudí na Mesiaci Zeme vznikli prvé blízke snímky povrchov mesiacov iných planét. Stalo sa tak v roku 1971 a išlo o snímky marsovských mesiacov Fobos a Deimos, ktoré sú najbližšími mesiacmi k Zemi okrem Mesiaca. Prieskum vykonala sonda Mariner 9.
Ostatné mesiace okrem Mesiaca, pokiaľ boli skúmané sondami zblízka, skúmali pri preletoch okolo nich sondy, ktoré obiehali alebo prelietali okolo ich materských planét. Medzi sondy, ktoré sa zaslúžili o rozšírenie našich poznatkoch o mesiacoch, patria napríklad Voyager 1 a Voyager 2, Fobos 2, Galileo, Cassini, či New Horizons. Sondy Galileo a Cassini boli po ukončení svojej činnosti navedené do atmosfér planét, aby v budúcnosti nedošlo k nechcenej zrážke týchto sond s nejakým mesiacom.
V štádiu príprav sú projekty kozmických sond, ktorých hlavným objektom výskumu budú mesiace iných planét. Patrí k nim napríklad sonda JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), ktorá odštartovala 14. apríla 2023. Na obežnú dráhu Jupitera má sonda vstúpiť v júli 2031, po štyroch gravitačných manévroch a ôsmich rokoch letu.
Kvázisatelity.
Kvázisatelity sú telesá, ktoré zostávajú v blízkosti centrálneho telesa po dlhšiu dobu, ale neobiehajú okolo neho. Obiehajú okolo Slnka s dráhovou rezonanciou voči objektu, pre ktorý predstavujú kvázisatelit. Majú rovnakú obežnú dobu okolo Slnka ako objekt, pre ktorý predstavujú kvázisatelit, no výstrednejšiu obežnú dráhu. Ich dráhy ležia mimo Hillovu sféru a v porovnaní s pravými satelitmi zotrvávajú v blízkosti planéty omnoho kratšie. Kvázisatelity sú zatiaľ známe len u Zeme, Venuše a Neptúna, podľa simulácií ich môžu mať aj ďalšie planéty. Zem má podľa údajov z roku 2016 päť známych kvázisatelitov, z ktorých najväčší je planétka 3753 Cruithne.
Exomesiace.
Exomesiace sú zatiaľ hypotetické telesá, ktoré by mali obiehať okolo exoplanét – planét mimo slnečnej sústavy. Astronómovia veria, že väčšina terestrických planét vo vesmíre má mesiace. Na základe pozorovania Spitzerovho vesmírneho ďalekohľadu došli členovia tímu Nadye Gorlovej k záveru, že nanajvýš 5 až 10 % z nich by mohlo mať pôvod v kolízii rovnako ako náš Mesiac. Len pri jednej zo 400 pozorovaných hviezd totiž našli stopy prachu, ktorá by podľa teórií mala takúto kolíziu sprevádzať.
Z posledných rokov je známych niekoľko kandidátov na exomesiace, vo všetkých prípadoch však chýba definitívny dôkaz. M. Benisty a kol. z University of Grenoble však v júli 2021 publikovali výsledky výskumu planetárnej sústavy hviezdy V1032 Centauri, podľa ktorej má jedna z planét tejto hviezdy okolo seba prachový disk s dostatočným množstvom materiálu na vytvorenie exomesiacov. Celá sústava je veľmi mladá a planéty aj ich mesiace sa v nej ešte len formujú.