扑朔迷离的土星环，是天然存在，还是来自卫星？
扑朔迷离的土星环，是天然存在，还是来自卫星？
土星环的形成之谜一直困扰着天文学家。最近，麻省理工学院的研究团队提出了一种新理论：大约1亿年前，一颗名为"蝶蛹"的卫星被土星引力撕裂，形成了壮观的土星环。这一发现不仅解释了土星环的年龄，还揭示了土星自转轴倾斜和最大卫星土卫六轨道偏心的成因。
图1：土星与太阳的遥远合影（图源：Mark Garlick/Getty Images）
图2：1981年8月4日，旅行者2号从1300万英尺（2100万千米）外拍摄的土星照片（图源：NASA/JPL）
这项新研究将土星环的形成与土卫六的向外迁移以及土星自转和海王星轨道之间的共振联系起来。关于土星环的年龄，科学界一直存在争议。一些科学家认为这些环可能与行星本身一样古老，但20世纪80年代初，加州理工学院的Peter Goldreich和麻省理工学院的Scott Tremaine根据环中冰粒的速度以及它们碰撞和磨损的频率，估算出土星环比土星年轻1亿年。
2017年卡西尼号土星任务的结束为土星环更年轻带来了更多证据。宇宙飞船的宇宙尘埃分析仪测量了星际尘埃对环的影响。根据卡西尼号对环质量的测量，发现只有百分之一的环是由尘埃组成的，这意味着土星环只有1亿年的历史。
虽然卡西尼号的发现受到大多数人的欢迎，但一些行星科学家敦促谨慎行事，指出：一些尘埃可能会从土星环中分离，落到土星本身，从而保持土星环的清洁，使它们看起来比实际年龄要小。
现在，由麻省理工学院的Jack Wisdom领导的新研究发现了一个物理机制，不仅解释了土星自转轴的倾斜和它最大的卫星土卫六的轨道偏心，而且还发现了土星环的年龄必须接近1亿年。
图3：土星自转轴倾斜示意图
土星的倾角——即这个星球的轨道平面与它绕着旋转的太阳系平面的夹角——是26.7度。在2021年，由巴黎天文台的Melaine Saillenfest领导的科学家们证明了土卫六轨道的向外移动可能导致了这样的倾斜。
土星也绕着它的轴旋转。轴倾斜，使顶部的轴旋转在一个圆上。行星的自转轴倾斜是常见的——地球的自转轴几千年来也是这样的。今天，地球的北极点或多或少指向北极星，但在几千年后，北极就会指向织女星。
图4：土星与海王星轨道共振示意图
在土星的例子中，当太阳的引力吸引了土卫六，在土星上产生了一个扭矩，土卫六就引起土星轴的旋转。扭矩是一种扭转力，在土星的情况下，扭矩作用在土星的旋转轴上，促使它转动。
在某个时刻，随着土星旋转频率的增加，它与海王星轨道节点的旋转（即海王星轨道穿过黄道平面的位置）发生共振。共振是一种放大的效果，一个典型例子就是推动孩子荡秋千。在合适的时刻推，摆动的幅度就会变大。太阳系中的共振是引力引起的。在土星和海王星的情况下，共振还与相遇的特定频率有关。
然而，今天土星的旋转频率和海王星轨道的进动频率不是共振的，它们的频率并不完全匹配。
"我们猜到了，曾经有一颗卫星因为不稳定而脱离轨道，并与土星发生了碰撞，形成了土星环，"Wisdom说，他将这颗假想的卫星命名为"蝶蛹"（Chrysalis）。
在他们的假设中，Wisdom的团队提出蝶蛹也对土星的扭矩有贡献，使这颗有光环的行星与海王星产生共振。然而，他们的电脑模拟显示，在1亿至2亿年前，蝶蛹本身也与土卫六有共振，土卫六每绕土星三圈，蝶蛹就会绕土星一圈。这种共振会给蝶蛹一个推力，就像秋千上的孩子，并破坏了它的轨道，最终它离土星太近，引力潮汐力将它撕裂，形成了著名的土星环。假设没有来自蝶蛹的力矩，土星的旋转频率会降低，使它与海王星不共振。
斯科特·特里梅因（Scott Tremaine）是第一个提出该假说的人，他认为这项新工作是"非凡的"，并补充说："当然，我们永远不会确切地知道是否曾有一颗额外的卫星存在于土星系统中，但能用一个假说来解释四个谜团（土星的倾角、土星环的存在、土星环的年龄和土卫六的偏心轨道），我们时间精力上的投入是非常值得的。"
本文原文来自天文在线