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科普:“失去的卫星”理论解释土星两大谜团

来源:新华社作者:张莹责任编辑:王韵
2022-09-21 14:36

新华社北京9月21日电(记者张莹)土星是太阳系第二大行星,它以相对于轨道平面成26.7度的倾斜角度自转,主要由水冰小颗粒组成的土星环是它的标志性特征之一。长久以来,科学界对土星自转轴倾角和土星环的成因未有定论。美国《科学》杂志近日发表的一项建模研究认为,土星自转轴倾角和土星环的形成可能与一颗1亿多年前被摧毁的卫星有关。

“卡西尼”探测数据带来新进展

如同旋转中的陀螺一样,土星的自转轴会随时间推移发生周期性运动,这种现象称为旋进。由于土星旋进速率与海王星几乎相同,天文学家此前认为,土星自转轴倾角是它与海王星发生引力关联的结果,又称轨道共振。

美国航天局“卡西尼”探测器环绕土星运转10多年间的观测数据,使科学界的看法发生转变。科学家发现,土星最大的卫星土卫六正以比此前预计更快的速度远离土星。科学家根据土卫六向外迁移的速度及其引力推测,土卫六可能是导致土星自转轴倾斜并保持与海王星共振的原因。

这个解释能否成立,一个关键因素是土星的转动惯量,而计算转动惯量需要知道土星内部的质量分布。

在最新研究中,美国麻省理工学院等机构参与团队利用“卡西尼”探测器对土星周围引力场的精确观测数据,模拟了土星内部的质量分布。结果令研究人员惊讶,土星的转动惯量表明它接近与海王星共振的状态,但恰好稍差了一点。这意味着两颗行星可能一度处于轨道共振状态,但目前土星已摆脱与海王星的共振。

寻找使土星摆脱共振的原因

研究团队检验描述土星旋进规律的方程后发现,如果从土星曾拥有的全部卫星中去掉一颗,便可解释土星目前的状态。研究团队认为,如今拥有83颗卫星的土星曾至少拥有一颗多出的卫星,他们将这颗卫星命名为“蝶蛹”。

研究团队通过模拟得出“蝶蛹”的一些基本属性。它与土星第三大卫星土卫八大小相当,曾与“兄弟姐妹”一起环绕土星运转数十亿年。它对土星的引力使土星保持一定自转轴倾角,并与海王星形成轨道共振。

研究人员推测,距今2亿年到1亿年间的某个阶段,“蝶蛹”进入一个混乱的轨道区。经历数次与土卫八和土卫六的近距离相遇后,它在与土星“擦身而过”时被巨大的引力撕成碎片。失去这颗卫星使土星脱离与海王星的共振,并形成目前的自转轴倾角。“蝶蛹”的大部分残片可能已撞向土星,少部分碎片可能仍悬浮在轨道上,最终分解成小冰块,形成了标志性的土星环。

研究人员表示,“失去的卫星”理论不仅可以解释土星自转轴倾角的形成,还与对土星环年龄的研究结论相吻合。此前有研究显示,与形成于45亿年前的土星相比,土星环的历史相对短暂,它形成于约1000万年至1亿年前。

就像“破茧成蝶”一样,“这颗卫星休眠了很长时间,突然变得活跃起来,然后(土星的)环出现了。”麻省理工学院行星科学教授,研究论文主要作者杰克·威斯德姆说。威斯德姆强调,就像任何其他理论假说一样,“失去的卫星”理论还须由其他研究人员进行检验。

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