當(dāng)前通訊！研究：土星的星環(huán)和傾斜可能是一個古老的、失蹤的衛(wèi)星的產(chǎn)物

由于土星的傾斜，就像一個旋轉(zhuǎn)的陀螺，其速度幾乎跟它的鄰居海王星的軌道相同，天文學(xué)家長期以來一直懷疑這種傾斜來自于跟海王星的引力相互作用。

然而麻省理工學(xué)院和其他地方的天文學(xué)家進(jìn)行的一項(xiàng)新建模研究發(fā)現(xiàn)，雖然這兩顆行星可能曾經(jīng)同步，但土星后來已經(jīng)擺脫了海王星的牽引。那么是什么造成了這種行星的重新排列？研究小組提出了一個經(jīng)過縝密測試的假說：一顆失蹤的衛(wèi)星。他們的研究于9月15日發(fā)表在《科學(xué)》上。

在這項(xiàng)研究中，研究小組提出，今天擁有83顆衛(wèi)星的土星曾經(jīng)至少還藏有一顆，這是一顆額外的衛(wèi)星，他們將其命名為Chrysalis。天文學(xué)家認(rèn)為，Chrysalis和它的兄弟姐妹們一起圍繞土星運(yùn)行了幾十億年，以一種保持其傾斜度跟海王星共振的方式拉扯著這顆行星。

(相關(guān)資料圖)

然而研究小組估計(jì)，大約在1.6億年前，Chrysalis開始變得不穩(wěn)定，并在一次擦肩而過的遭遇中因離自己的行星太近從而將這顆衛(wèi)星拉開。衛(wèi)星的損失足以使土星脫離海王星的控制并使其呈現(xiàn)出今天的傾斜。

此外，天文學(xué)家推測，雖然Chrysalis的大部分碎片可能已經(jīng)撞擊了土星，但它的一小部分碎片可能仍懸浮在軌道上，最終破碎成小的冰塊并形成了這顆星球標(biāo)志性的環(huán)。

因此，Chrysalis--這顆失蹤的衛(wèi)星可以解釋兩個長期存在的謎團(tuán)：土星現(xiàn)在的傾斜度和它的星環(huán)的年齡，以前估計(jì)它的年齡約為1億年--比行星本身年輕得多。

“就像蝴蝶的蛹一樣，這顆衛(wèi)星長期處于休眠狀態(tài)，后來突然變得活躍起來，星環(huán)出現(xiàn)了，”Jack Wisdom說道。他是這項(xiàng)新研究的論文第一作者，也是麻省理工學(xué)院的行星科學(xué)教授。

該研究的共同作者包括麻省理工學(xué)院的Rola Dbouk、加州大學(xué)伯克利分校的Burkhard Militzer、亞利桑那大學(xué)的William Hubbard、加州大學(xué)圣克魯茲分校的Francis Nimmo和Brynna Downey及韋爾斯利學(xué)院的Richard French。

一個進(jìn)步的時刻

在21世紀(jì)初，科學(xué)家們提出了這樣一個觀點(diǎn)：土星的軸線傾斜是由于該行星陷入了與海王星的共振或引力關(guān)聯(lián)。然而NASA的卡西尼號航天器在2004年至2017年期間圍繞土星進(jìn)行的觀測為這個問題帶來了新的轉(zhuǎn)機(jī)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，土星最大的衛(wèi)星--土衛(wèi)六正在以比預(yù)期更快的速度遠(yuǎn)離土星，據(jù)悉，它在以每年約11厘米的速度遷徙。土衛(wèi)六的快速遷移以及它的引力使科學(xué)家們得出結(jié)論，這顆衛(wèi)星很可能是負(fù)責(zé)傾斜并使土星跟海王星保持共振的。

然而這一解釋取決于一個主要的未知因素。土星的慣性矩，也就是質(zhì)量在行星內(nèi)部的分布。土星的傾斜可能表現(xiàn)得不同，這取決于物質(zhì)是更多地集中在其核心還是朝向表面。

“為了在這個問題上取得進(jìn)展，我們必須確定土星的慣性矩，”Wisdom說道。

失去的元素

在新研究中，Wisdom和他的同事們利用卡西尼號在其Grand Finale中進(jìn)行的一些最后的觀測來確定土星的慣性矩。在這一階段中，航天器進(jìn)行了極其緊密的接近，從而精確繪制了整個行星周圍的引力場。引力場可用于確定該行星的質(zhì)量分布。

Wisdom和他的同事對土星的內(nèi)部進(jìn)行了建模并確定了跟卡西尼號觀察到的引力場相匹配的質(zhì)量分布。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)這個新確定的慣性矩使土星接近，但剛好在跟海王星的共振之外。這兩顆行星可能曾經(jīng)是同步的，但現(xiàn)在不再是了。

“然后我們就去尋找讓土星脫離海王星的共振的方法，”Wisdom說道。

首先，研究小組進(jìn)行了模擬，他們將土星及其衛(wèi)星的軌道動力學(xué)向后演變，以此來觀察現(xiàn)有衛(wèi)星之間是否有任何自然不穩(wěn)定因素可以影響行星的傾斜。據(jù)悉，這一搜索結(jié)果是空的。

因此，研究人員重新審查了描述行星前傾的數(shù)學(xué)方程，也就是行星的旋轉(zhuǎn)軸如何隨時間變化。這個方程中的一個項(xiàng)有來自所有衛(wèi)星的貢獻(xiàn)。研究小組推斷，如果從這個總和中移除一顆衛(wèi)星，那么它可能會影響到行星的前行。

問題是，那顆衛(wèi)星要有多大的質(zhì)量以及它要經(jīng)歷怎樣的動力學(xué)過程才能使土星脫離海王星的共振？

Wisdom和他的同事們進(jìn)行了模擬以確定衛(wèi)星的屬性，如它的質(zhì)量和軌道半徑及將土星從共振中剔除所需的軌道動力學(xué)。

最后他們得出結(jié)論，土星目前的傾斜是跟海王星共振的結(jié)果，而衛(wèi)星Chrysalis的損失約是土星第三大衛(wèi)星--iapetus的大小，這使得它能夠擺脫共振。

在2億到1億年前的某個時候，Chrysalis進(jìn)入了一個混亂的軌道區(qū)，其經(jīng)歷了跟Iapetus和Titan的多次親密接觸，并最終離土星太近，進(jìn)而在一次擦肩而過的遭遇中，衛(wèi)星被撕成了碎片，最后只留下一小部分作為一個布滿碎片的環(huán)狀物環(huán)繞著這個星球。

他們發(fā)現(xiàn)，Chrysalis的消失不僅解釋了土星的早衰和它今天的傾斜，而且還解釋了它壯觀的星環(huán)形成的晚期。

“這是一個相當(dāng)好的故事，但就像其他的結(jié)果一樣，它將必須由其他人來檢驗(yàn)，”Wisdom說道，“但是看起來這個丟失的衛(wèi)星只是一個蛹，等待著它的不穩(wěn)定。”