【最新研究】美麗的土星光環,是1.6億年前太陽系內一宗「血案」的物證

土星環是太陽系里獨一無二的存在。除了土星,太陽系里的其他氣體巨行星都沒有這麼大這麼壯觀的環。這也讓人對其由來感到好奇。僅憑直覺人們就懷疑土星環不是它與生俱來的。探測結果也證明這樣的懷疑不無道理:土星形成于大約45億年前,而土星環的年齡要年輕得多,形成時間大約在距今1億至2億年前。

消失的衛星Chrysalis化身成為了美麗的土星環(想象圖)。B. Militzer

近日科學家的研究也再一次論述了這種可能。麻省理工學院和加州大學伯克利分校的天文學家認為,土星環的年齡大約是1.6億年,它是土星的一顆衛星碎裂后形成的殘骸。而這顆衛星之所以會碎裂,是因為受到了與海王星有關的神秘力量的影響。

研究人員稱這顆碎裂的衛星為Chrysalis(蝶蛹),以此比喻它化身為美麗土星環的過程。Chrysalis的大小應該和今天的土衛三(Iapetus)差不多。一系列連鎖反應導致它在1億多年前由于過于靠近土星而超越洛希極限,最終瓦解。碎裂后Chrysalis的碎片大部分被土星吞噬,1%留在軌道上,形成了我們今天看到的壯美土星環。

旅行者2號拍攝的土星、土星環和部分土星衛星。照片拍攝于1981年8月4日,當時探測器正在飛掠土星系。NASA

雖然土星和海王星相距遙遠,但它們暗中卻有聯系。土星自轉軸的進動和海王星自轉軸的進動之間,可能存在著所謂的「共振(resonance)」關系。兩者的周期都長達187萬年。這導致土星擁有巨大的自轉軸傾角 (約27度),僅略小于海王星的自轉軸傾角(約28度)。

土星和海王星在過去幾十億年中一直遵守著這一「約定」。但是土星最大的衛星——土衛六(泰坦)卻在那時向著遠離土星的軌道遷徙。這一過程使土星系進入了不穩定的狀態,最終導致土星失去了一顆衛星,形成了一個環,并退出了與海王星的「共振」。

20087年4月25日,卡西尼探測器近距離拍攝的土星環。NASA

研究人員基于卡西尼探測器的數據,得出了土星角動量的一個較為精確的值。角動量能夠反映土星質量、轉速和半徑的關系。結果顯示,土星的角動量,與理論上土星和海王星處于共振狀態時應該擁有的角動量只稍小一點。而缺失的這點角動量,正好能夠用一個額外的土衛補上。

太陽系各大行星的自轉軸傾角。Richard Barkus

至于土衛六發生遷徙的原因,計算機模擬結果顯示,當時它可能在某一時間段上,與Chrysalis發生了軌道共振。這會導致Chrysalis的軌道不穩定,使之過于靠近土星而解體。

卡西尼探測器拍攝的土星(黃色背景)、土星環影(條紋)和土衛六(較大的金色球體)、土衛四(較小的灰色球體)合影。NASA

根據土衛六今天的位置,以及理論上它遷徙至能夠達到的速度,研究人員認為這一事件發生在距今1億至2億年前。而這也符合人們此前對土星環年齡的估計。


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