土星的兩大謎題

在夜空中的所有可見行星中，或許沒有哪一顆會比土星更易識別、更具標志性。

土星。（圖 /NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

土星是太陽系中第二大行星，它與同為氣態(tài)巨行星的木星一樣，是一個主要由氫氣和氦氣構(gòu)成的巨大球體。然而，它有著非常獨特的外觀——在它的周圍，環(huán)繞著巨大的土星環(huán)。雖然在木星、天王星和海王星的周圍也擁有這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但與土星環(huán)相比，它們要暗淡、稀疏得多，體積和質(zhì)量也都更小。

土星環(huán)的存在，暴露了土星的一個 " 秘密 " ——它是傾斜的，它的軸線與繞太陽公轉(zhuǎn)的平面之間存在26.7°的傾角。在太陽系的 45 億年歷史中，土星環(huán)并不是一直存在。相反，它們很可能是在不到 1 億年前才被創(chuàng)造出來的，比土星本身的年齡要年輕得多。

那么，土星環(huán)是被如何創(chuàng)造出來的？它的傾角的起源又是什么？一直以來，這兩個問題都困擾著天文學家。現(xiàn)在，在一篇發(fā)表于《科學》雜志的新研究中，一個研究團隊提出了一個的新的假設，一舉解答了兩個問題。

快速逃離的土衛(wèi)六

一直以來，天文學家都懷疑這種傾斜源自于土星與相鄰的海王星之間的引力相互作用，認為這是土星與海王星共振的結(jié)果。后來，科學家們通過分析由卡西尼號土星探測器在 2004 年到 2017 年間觀測到的結(jié)果，意識到問題的答案可能沒有這么簡單。

當時，科學家們發(fā)現(xiàn)土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六（Titan），正在以大約每年 11 厘米的速度逃離土星。這一速度比預期更快，這種快速的向外遷移可能通過與海王星的軌旋進動共振，導致土星的傾角增加。

由卡西尼號在 2012 年拍攝到的照片，展示了土衛(wèi)六和土星。（圖 /NASA/JPL-Caltech/SSI）

但是，這種解釋依賴于一個關鍵的未知因素——土星的轉(zhuǎn)動慣量，即質(zhì)量是如何在行星內(nèi)部分布的。也就是說，物質(zhì)是更集中在土星的核心還是表面，決定了土星的傾角。因此，若要從這個角度分析土星的傾角，就必須先確定土星的轉(zhuǎn)動慣量。

擺脫共振的方法

在新研究中，研究人員利用卡西尼號在靠近土星時所觀測到的數(shù)據(jù)，來確定土星的轉(zhuǎn)動慣量。當卡西尼號非常貼近土星時，它可以精確地繪制土星周圍的引力場。接著，研究人員可以通過引力場來確定土星的質(zhì)量分布。

研究人員用模型模擬了土星的內(nèi)部，并通過與卡西尼號觀測到的引力場相匹配，最終確定了土星的質(zhì)量分布。令他們驚訝的是，新計算得出的轉(zhuǎn)動慣量雖然會使土星接近海王星的共振，但又剛好超出共振所需的范圍。也就是說，土星和海王星或許曾經(jīng) " 步調(diào)一致 "，但現(xiàn)在已經(jīng)不再同步了。

于是，研究人員開始尋找能夠使土星擺脫與海王星的共振的方法。

他們首先模擬推演了土星及其衛(wèi)星的軌道動力學，想要觀察在現(xiàn)有的土星衛(wèi)星之間，是否存在任何自然的、可以影響土星的傾角的不穩(wěn)定性。但在這場搜索中，他們一無所獲。

接著，他們重新檢查了描述行星進動的數(shù)學方程，也就是描述行星的自轉(zhuǎn)軸會如何隨時間變化。在方程中，有一項代表的是所有衛(wèi)星所貢獻的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果刪除一顆衛(wèi)星，就會影響行星的進動。

一顆 " 出走 " 的衛(wèi)星：蝶蛹

一個自然的問題是，這樣一顆衛(wèi)星的質(zhì)量是多大？它要經(jīng)歷怎樣的動力學，才能使土星脫離海王星的共振？

通過模擬，研究人員確定了這樣一顆衛(wèi)星的一些基本性質(zhì)，比如它的質(zhì)量和軌道半徑，以及使土星脫離共振所需的軌道動力學。他們認為，這是一顆大小約與土衛(wèi)八相近的衛(wèi)星，其軌道被土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六的快速遷移所擾亂。

研究人員將這顆已經(jīng)失去的衛(wèi)星命名為 Chrysalis，意為 " 蝶蛹 "。在大約1 億多年前，蝶蛹進入了一個混亂的軌道區(qū)域，在經(jīng)歷了數(shù)次與土衛(wèi)八和土衛(wèi)六的近距離相遇后，在某個太過接近土星的飛掠時，被潮汐力撕成了碎片。失去這顆衛(wèi)星足以使土星脫離海王星的控制，導致土星的傾角通過與海王星共振增加，使傾角保持在現(xiàn)在的大小。

也許是一顆曾經(jīng)存在的名為 " 蝶蛹 " 巨大衛(wèi)星，造就了現(xiàn)在的土星環(huán)，以及其他各種已被觀測到的難以解釋的特性。（圖 /Burkhard Militzer/UC Berkeley and NASA）

更重要的是，研究人員還進而推測出，雖然這顆已經(jīng)喪失的衛(wèi)星的大部分碎片可能都與土星發(fā)生了碰撞，但仍然留下一小部分碎片仍然懸浮在軌道上，它們最終破碎成小冰塊，形成了標志性的土星環(huán)。

解決兩個謎團

新的數(shù)值模擬結(jié)果為土星環(huán)書寫了一則新的故事：

當土星剛剛形成時，它的自轉(zhuǎn)軸線與公轉(zhuǎn)平面之間的夾角只有幾度。在 1 億多年前，當土星的傾角達到 36° 時，一顆名為 " 蝶蛹 " 的衛(wèi)星被潮汐力撕碎，它的一些碎片形成了土星環(huán)。而土衛(wèi)六的繼續(xù)向外遷移，以及它對土星和海王星共振的影響，導致了土星的傾角下降到現(xiàn)在的 26.7°。

這種新的假設不僅解釋了土星現(xiàn)有的傾角，還與觀測到的土星環(huán)的年齡和質(zhì)量一致。可以說，" 蝶蛹 " 衛(wèi)星將會是土星研究中的一則喜聞樂見的故事。但就像任何其他結(jié)果一樣，我們還需要對這一結(jié)論進行更多的檢驗，以確定土星曾真的丟失過一顆這樣的衛(wèi)星。