天王星討人厭的衛星阻礙了天王星星環的發展

電腦模擬結果揭示了天王星27顆衛星中最大的一顆是如何控制發育遲緩的星環的

詹姆斯韋布太空望遠鏡于2023年2月6日拍攝的天王星放大照片（圖源：國家航空航天局，航天局，加拿大航天局，太空望遠鏡科學研究所J. 帕斯夸里）

據設計用來研究星環來源的最新模擬結果顯示，天王星5顆主要的衛星牢牢控制著天王星星環的大小，它們把大量的塵埃逐出了天王星系統外。

作為離太陽第七遠的行星，天王星因其98°的傾斜而引人注目，這種傾斜是天王星很久以前歷史中一次巨大撞擊的產物。

加利福尼亞大學河濱分校（UCR）的行星天體物理學教授斯蒂芬卡尼在空間網（Space.com）的電話訪談中說：“我的動力之一就是去尋找天王星星環是否是將天王星弄歪的最初撞擊時的產物，結果證明可能不是，因為星環的組成物質尚未出現這么久”。

卡尼和UCR的助手科學家李哲星是一篇新論文的共同作者，這篇論文描述了天王星5顆主衛星（天衛一、天衛二、天衛三、天衛四和天衛五）和星環之間的相互作用。尤其當衛星和星環產生“平運動共振”狀態時，相互作用達到峰值。

當外部天體比內部天體的繞軌周期大一整倍時，兩個繞軌天體之間會出現一個平運動共振。例如，如果星環顆粒在離天王星一個特定距離上繞軌兩周、此時衛星剛好繞軌一周時，它們就會進入引力共振狀態。這種共振會導致星環中的物質脫離系統使星環變小。天王星最大質量的2個衛星-直徑298英里（480千米）的天衛五和720英里寬（1160千米）的天衛一-造成的共振的影響最大，幾乎可以縮短4.3倍行星半徑的距離。（天王星的半徑是15759英里或25362千米，所以4.3倍行星半徑是67700英里或109000千米）。

天王星的環在最初形成時可能更大、更亮，但后來由于衛星的共振作用而減弱。不過天王星依然有星環存在的事實說明天王星系統中有各種來源的塵埃為其進行補充。其中一個主要來源是對其衛星或大或小的撞擊。

“撞擊對天王星的影響程度尚不明確”卡尼說。“但是[大量質量流失情況下星環卻依舊存在]表明這種想法也許比最初設想的可能性更高。”除撞擊外，噴射也可能是這個系統中的一種粒子來源。當冰衛星進入共振狀態，來自其他衛星的引力潮汐以及天王星內部的彎曲，將會引發低溫火山的爆發，導致衛星中的物質噴射出來。

卡尼和李發現，隨著塵埃顆粒通過以上任一方式涌入天王星系統，在40倍天王星半徑距離內（超過63萬公里一點，或大約100萬千米），衛星在僅50萬年中內就會驅逐約35%的物質。隨后質量流失率減慢，變成流失40%/1千萬年。

“質量流失率如此之高令人震驚，”卡尼說。“是衛星間的相互作用導致了這種質量流失。”

詹姆斯韋布空間望遠鏡于2023年2月6日拍攝的天王星全景照片，可以看到它27顆已知衛星中的6顆。（圖源：國家航空航天局，航天局，加拿大航天局，太空望遠鏡科學研究所J. 帕斯夸里）

天王星衛星的軌道一直變化讓問題變的更加復雜。

“有很多證據表明這些衛星一直移向不同的共振位置，”卡尼說。鑒于有很多靠近天王星進行軌道共振的機會，“隨著星環內部的衛星不斷的移入移出共振狀態，使星環變得更狹窄。”

模擬也表明在兩個大的衛星之間更有可能產生穩定的星環軌道。

“試想一下衛星之間嵌入了星環，且衛星造成了星環截斷的場景，多么有趣！”卡尼說。

天王星并不是唯一一個這樣的行星系統。在2022年，卡尼對具備微弱且狹窄環帶的木星進行了一項類似的研究，木星占據了它行星系統的大部分質量。在這項研究中，卡尼發現木星的4顆最大衛星-艾奧（木衛一）、歐羅巴（木衛二）、加尼未（木衛三）和卡利斯托（木衛四）-噴射的大部分塵埃物質也許解釋了木星環的形成原因。

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此刻，對木星和天王星的設想尚且只存在理論模型階段。天王星的一個未來太空飛行任務可以測量出來這個系統流失的質量嗎？

“不只是是否有機會可以測量質量流失這一個問題，為了觀測到這種質量流失，需要目前已有的質量真的流失，”卡尼說，最近沒有地理上的撞擊導致塵埃供應減少，“我懷疑目前流失的質量非常之少”。

這種想法將很快得到驗證。最近的行星十年規劃計劃將一個天王星軌道發射任務列為最高優先級，最晚將于2035年發射，在2040年到達既定軌道。這個發射任務將對天王星內部進行研究，測量可能引起它質量流失的引力場。如果天王星系統內存在塵埃，發射器也許可以探測到它們的逃逸。天王星依然是尚未被探索到的太陽系邊界，國家航空航天局發射的旅行者2號的其中一個任務就是穿過它，未來還有很多激動人心的發現等著我們。

本項研究至今尚未被出版在科學雜志上，可以在arXiv preprint網頁上進行查看。

BY:Keith Cooper

FY: 雜七八糟嘿

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來源: 天文在線