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土星的两大谜题

在夜空中的所有可见行星中，或许没有哪一颗会比土星更易识别、更具标志性。

土星。

（图/NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

土星是太阳系中第二大行星，它与同为气态巨行星的木星一样，是一个主要由氢气和氦气构成的巨大球体。

然而，它有着非常独特的外观——在它的周围，环绕着巨大的土星环。

虽然在木星、天王星和海王星的周围也拥有这种环状结构，但与土星环相比，它们要暗淡、稀疏得多，体积和质量也都更小。

土星环的存在，暴露了土星的一个秘密——它是倾斜的，它的轴线与绕太阳公转的平面之间存在26.7°的倾角。

在太阳系的45亿年历史中，土星环并不是一直存在。

相反，它们很可能是在不到1亿年前才被创造出来的，比土星本身的年龄要年轻得多。

那么，土星环是被如何创造出来的？它的倾角的起源又是什么？一直以来，这两个问题都困扰着天文学家。

现在，在一篇发表于《科学》杂志的新研究中，一个研究团队提出了一个的新的假设，一举解答了两个问题。

快速逃离的土卫六

一直以来，天文学家都怀疑这种倾斜源自于土星与相邻的海王星之间的引力相互作用，认为这是土星与海王星共振的结果。

后来，科学家们通过分析由卡西尼号土星探测器在2004年到2017年间观测到的结果，意识到问题的答案可能没有这么简单。

当时，科学家们发现土星最大的卫星——土卫六（Titan），正在以大约每年11厘米的速度逃离土星。

这一速度比预期更快，这种快速的向外迁移可能通过与海王星的轨旋进动共振，导致土星的倾角增加。

由卡西尼号在2012年拍摄到的照片，展示了土卫六和土星。

（图/NASA/JPL-Caltech/SSI）

但是，这种解释依赖于一个关键的未知因素——土星的转动惯量，即质量是如何在行星内部分布的。

也就是说，物质是更集中在土星的核心还是表面，决定了土星的倾角。

因此，若要从这个角度分析土星的倾角，就必须先确定土星的转动惯量。

摆脱共振的方法

在新研究中，研究人员利用卡西尼号在靠近土星时所观测到的数据，来确定土星的转动惯量。

当卡西尼号非常贴近土星时，它可以精确地绘制土星周围的引力场。

接着，研究人员可以通过引力场来确定土星的质量分布。

研究人员用模型模拟了土星的内部，并通过与卡西尼号观测到的引力场相匹配，最终确定了土星的质量分布。

令他们惊讶的是，新计算得出的转动惯量虽然会使土星接近海王星的共振，但又刚好超出共振所需的范围。

也就是说，土星和海王星或许曾经步调一致，但现在已经不再同步了。

于是，研究人员开始寻找能够使土星摆脱与海王星的共振的方法。

他们首先模拟推演了土星及其卫星的轨道动力学，想要观察在现有的土星卫星之间，是否存在任何自然的、可以影响土星的倾角的不稳定性。

但在这场搜索中，他们一无所获。

接着，他们重新检查了描述行星进动的数学方程，也就是描述行星的自转轴会如何随时间变化。

在方程中，有一项代表的是所有卫星所贡献的影响。

研究人员发现，如果删除一颗卫星，就会影响行星的进动。

一颗出走的卫星：蝶蛹

一个自然的问题是，这样一颗卫星的质量是多大？它要经历怎样的动力学，才能使土星脱离海王星的共振？

通过模拟，研究人员确定了这样一颗卫星的一些基本性质，比如它的质量和轨道半径，以及使土星脱离共振所需的轨道动力学。

他们认为，这是一颗大小约与土卫八相近的卫星，其轨道被土星最大的卫星——土卫六的快速迁移所扰乱。

研究人员将这颗已经失去的卫星命名为Chrysalis，意为蝶蛹。

在大约1亿多年前，蝶蛹进入了一个混乱的轨道区域，在经历了数次与土卫八和土卫六的近距离相遇后，在某个太过接近土星的飞掠时，被潮汐力撕成了碎片。

失去这颗卫星足以使土星脱离海王星的控制，导致土星的倾角通过与海王星共振增加，使倾角保持在现在的大小。

也许是一颗曾经存在的名为蝶蛹的巨大卫星，造就了现在的土星环，以及其他各种已被观测到的难以解释的特性。

（图/Burkhard Militzer/UC Berkeley and NASA）

更重要的是，研究人员还进而推测出，虽然这颗已经丧失的卫星的大部分碎片可能都与土星发生了碰撞，但仍然留下一小部分碎片仍然悬浮在轨道上，它们最终破碎成小冰块，形成了标志性的土星环。

解决两个谜团

新的数值模拟结果为土星环书写了一则新的故事：

当土星刚刚形成时，它的自转轴线与公转平面之间的夹角只有几度。

在1亿多年前，当土星的倾角达到36°时，一颗名为蝶蛹的卫星被潮汐力撕碎，它的一些碎片形成了土星环。

而土卫六的继续向外迁移，以及它对土星和海王星共振的影响，导致了土星的倾角下降到现在的26.7°。

这种新的假设不仅解释了土星现有的倾角，还与观测到的土星环的年龄和质量一致。

可以说，蝶蛹卫星将会是土星研究中的一则喜闻乐见的故事。

但就像任何其他结果一样，我们还需要对这一结论进行更多的检验，以确定土星曾真的丢失过一颗这样的卫星。

参考

https://news.mit.edu/2022/saturn-rings-tilt-missing-moon-0915

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1234

https://solarsystem.nasa.gov/planets/saturn/in-depth/

封面图&首图：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

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