Нет никаких причин, чтобы такие спутники не могли существовать теоретически, но практически орбиты подобных спутников будут устойчивы только в случае, если они обращаются совсем близко к поверхности "больших" спутников, а "большие" спутники находятся достаточно далеко от своих планет. Проще говоря, вокруг Луны или вокруг Титана может летать камень размером несколько метров на близкой орбите, точно так же, как вокруг них летают искусственные спутники, запущенные людьми. Но вот крупный спутник не будет устойчив из-за того, что нет соответствия масштабов — совсем близко он не подлетит, так как его может разорвать приливными силами "большого" спутника, а далеко летать не сможет, потому что его оторвет рано или поздно влиянием планеты. Возможно, этим же самым можно объяснить отсутствие спутников у Меркурия и Венеры.
Таких случаев не обнаружено ни в нашей солнечной системе, ни в других системах. Но в целом гипотетическое наличие таких спутников законам физики не противоречит.