（旅行者2號宇宙飛船于1981年8月4日拍攝了這張土星、土星環和一些衛星的壯麗照片。科學家們認為，大約1億年前，土星撕裂了它的一顆衛星，形成了這顆行星雄偉的光環。科學家現在稱土星失去的衛星為“蝶繭（Chrysalis）”。圖片來源：NASA/JPL）

從衛星到土環的演變

盡管土星的光環龐大而壯觀，但太陽系中其他氣態巨行星的光環系統卻極其薄弱。科學家們一直在思考這是為什么。2022年9月15日，加州大學伯克利分校的科學家們表示，他們認為土星的光環與傾斜度相關。他們認為，1.6億年前，土星的一顆大型衛星解體并變成了土星的光環。他們將這顆失落的衛星命名為“蝶繭”，因為它能夠像昆蟲的繭變成蛾或蝴蝶一樣，從一顆衛星轉變成光環。

這項研究由麻省理工學院的杰克·威斯頓（Jack Wisdom）領導，并于本周發表在同行評審的《科學》雜志上。

土星的光環形成時間不到1億年

2019年，一組科學家得出結論，相對于土星本身而言，土星光環形成相對較新。土星可能與太陽系的其他部分一起形成于大約45億年前。然而，這些科學家表示，他們的研究表明土星光環是較新的特征，形成于不到1億年前。

2022年的研究更進一步。它提出土星的光環系統來源于一顆曾經與土衛三（即土星第三大衛星）大小相當的衛星。他們推測這顆衛星曾過于接近土星。如果是這樣的話，土星會吞噬這顆衛星99%的質量，而其余的質量則形成了土星的光環。杰克·威斯頓解釋道：“（土星的）傾斜度過大，不可能是原行星盤已知的形成過程或后來的大碰撞造成的。雖然有各種解釋，但都不完全令人信服。最棒的是先前無法解釋的光環年輕年齡在我們的情景中自然得到了解釋。”

（卡西尼號宇宙飛船于2007年4月25日拍攝了這張土星環的特寫照片。圖片來源：NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute）

土星-海王星的聯系

盡管土星和海王星在太空中相距數十億英里，但它們之間仍然存在聯系。天文學家的聲明解釋道：“天文學家之前懷疑土星的軸傾斜度是由于與其外側伴星海王星的引力相互作用造成的。這是因為土星的軸傾斜度進動（如同旋轉的陀螺）速度幾乎與海王星軌道的進動速度相同。這種相互作用被稱為共振。”

在新的研究中，研究人員得出結論，數十億年來，海王星和土星處于共振狀態，這導致了土星自轉軸的傾斜。然而，土衛六（太陽系第二大衛星）的外移使得土星系統失去穩定，導致它失去了一顆衛星并脫離了共振。結果是什么呢？一套明亮而美麗的光環，裝飾著今天的土星。

土星失落的衛星“蝶繭”

某些太陽系天體，如水星和木星，相對于太陽系平面的傾斜幾乎為零。相對于它們繞太陽的軌道，它們的軸幾乎是垂直的。其他天體，包括地球和土星，有較大的軸傾斜度。地球傾斜了大約23.5度，而土星的傾斜度為26.7度。土星大傾斜的一個原因可能是其與海王星的進動共振。科學家們表示這種共振會使土星的輕微傾斜變成大傾斜。

在這項新研究中，威斯頓需要知道土星有多少角動量。Minute Physics將動量描述為“物體在直線運動時的沖力大小”，而角動量則是“計算物體在圓周運動時沖力大小的一種方法”。較高的角動量會使土星更能抵抗外力，例如來自太陽或其他行星的影響。所以他向加州大學伯克利分校的布爾克哈德·米利策尋求幫助。米利策的團隊利用卡西尼任務的測量數據提供了土星角動量的精確測量。團隊驚訝地發現，土星的角動量僅比其與海王星共振所需的角動量小了一點點。

然而，計算顯示，如果土星曾經有一顆額外的衛星，土星和海王星就會處于共振狀態，這點非常關鍵。

（藝術概念描繪了太陽系中行星的傾斜。圖片來源：NASA/ JPL-Caltech/ Richard Barkus.）

分離總是艱難的

假設土星和海王星曾經處于共振狀態，那么它們是如何分離的呢？計算機模擬表明，最可能的情景是在某個時刻，土星的土衛六與失落的衛星“蝶繭”進入了共振狀態，如果發生這種情況，“蝶繭”的軌道就會變得不穩定。

如果“蝶繭”的軌道變得不穩定，“蝶繭”最終會靠近土星。而在那時，土星的引力會將這顆衛星撕裂開來。“蝶繭”殘留的部分，即沒有掉入土星的部分，變成了土星壯麗的光環系統。科學家利用土衛六今天遠離土星的速度來估算“蝶繭”何時變得不穩定，何時最終被摧毀。結果表明是在大約1億到2億年前，這個數字與當前對土星光環年齡的估計相匹配。

科學家還表示，未來更精確的測量將幫助他們確認這些理論。威斯頓評論道：“這是一個很好的故事。但和其他任何結果一樣，它需要被其他人檢驗。不過，看來這顆失落的衛星就像一個“蝶繭”，等待不穩定的蛻變。

（這張土星的照片來自卡西尼號宇宙飛船。它展示了土星（黃色背景）、光環（條紋）、木衛六（帶大氣層的金色模糊球）和一顆較小的衛星迪翁。一項新的研究表明，土星環曾經是一顆衛星。圖片來源：NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute.）

結論：一項新研究表明，一顆被科學家稱為“蝶繭”的土星失落衛星，由于過于接近土星而被撕裂開來，形成了我們今天看到的光環系統。

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來源: 天文在線